Рубрика: Аналитика

Накопители энергии: очевидные и невероятные.

Автор: Роман Фишман

Первоначальная публикация: Портал «Попмеханика» URL.: https://www.popmech.ru/technologies/422072-nakopiteli-energii-ochevidnye-i-neveroyatnye/

Штангисты знают, что поднять вес мало — важно его удержать. Сколько бы мы ни произвели чистой — или любой другой — энергии, от нее будет мало толка, если мы не умеем ее хранить. Но что способно накапливать гигаватт- и тераватт-часы, а в нужный момент за секунды отдать их в сеть? Только что-нибудь по‑настоящему серьезное. Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники, разработанные в Новосибирске. О них мы и поговорим,вспомнив по пути школьную физику.

 

Профессор из Беркли Дэвид Каммен считает электросети самой сложной машиной, которую когда-либо создавало человечество: «Она самая большая, самая дорогая, включает больше всего компонентов и при этом элегантно проста. В ее основе лежит единственный принцип — приток энергии должен постоянно равняться оттоку». Система работает как ресторан быстрого питания: сколько заказано блюд, столько и приготовлено, лишнее приходится выбрасывать. Между тем потребление электроэнергии меняется постоянно и довольно ощутимо.

Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, — днем. А ярче всего солнце светит летом. Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС. Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей.

Cравнение потребления и генерации электроэнергии различными источниками на примере декабря 2012 года (по данным BM Reports).

Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива — ниже. Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления. Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись… Есть идеи?

Варианты очевидные

Электросети начали проектировать больше века назад с учетом технологий того времени, и сегодня даже в самых развитых странах они нуждаются в модернизации, в том числе во введении «амортизирующего» компонента, накопителей соответствующей мощности. Пока что такими проектами не могут похвастаться даже США: по данным за 2017 год, все имевшиеся в стране промышленные накопители имели мощность лишь около 24,2 ГВт, тогда как генерирующие мощности составили 1081 ГВт. Текущие возможности России в области накопления — чуть больше 2 ГВт, а всего мира — 175,8 ГВт.

Почасовое потребление в Великобритании в течение одного зимнего и одного летнего месяцев 2009 года. Максимум потребления пришелся на шесть часов январского утра (58,9 ГВт), минимум — на теплый субботний вечер в июле (22,3 ГВт), разница более чем вдвое.

Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии. Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%. Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными.

Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов. Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных. Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление… Что нам остается, помимо этого?

Школьная физика

Инженеры любят простые и остроумные решения, и многие проекты накопителей основаны на довольно простой физике. Базовые формулы, позволяющие оценить энергию таких систем, проходят еще в средней школе. Скажем, вращательная кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости, что позволяет сохранять электрическую энергию во вращении тяжелого маховика. Такие накопители отличаются великолепной управляемостью и надежностью, они используются на транспорте и даже в космосе. Однако самые мощные из них способны обеспечить разве что небольшую электростанцию, стабилизируя выдачу тока, и эффективны лишь на небольших промежутках времени — не больше четверти часа.

Из той же школьной физики мы помним, что энергия идеального газа пропорциональна его давлению, что дает возможность накопить ее в виде сжатого воздуха. Емкостью для него могут служить герметичные цистерны, как у 9-мегаваттного накопителя Next Gen CAES на одной из электростанций в Нью-Йорке, штольни заброшенных шахт или естественные пещеры-каверны. На том же принципе разницы давлений работает предложенный немецкими инженерами концепт ORES. Полые бетонные емкости погружаются на дно и подключаются к офшорной электростанции: избыток энергии они накапливают, закачивая внутрь воду, а при необходимости она под давлением сжатого внутри воздуха выбрасывается наружу, запуская генератор.

Баланс на масштабах от секунд до недельНакопители энергии, работающие на разных принципах, имеют свои преимущества и недостатки, и могут подходить для различных задач. Одни оптимальны в поддержке электростанций, другие — на этапе передачи и распределения энергии, третьи — для крупных потребителей, четвертые — для конечных пользователей, в их домах и мобильных гаджетах.

Пригодится нам и энергия тепловая: например, концерн Siemens уже сооружает для одной из ветряных электростанций под Гамбургом накопитель, запасающий энергию в тепле 100 тонн камня. Избыток выработки будет направляться на их нагрев, чтобы затем груз, остывая, превращал воду в пар, вращающий турбину генератора. Впрочем, чаще энергию градиента температуры используют для накопителей энергии на солнечных электростанциях. Зеркала концентраторов фокусируют свет, раскаляя теплоноситель (обычно расплавленный солевой раствор), который продолжает отдавать тепло и днем, и ночью, когда солнце уже не светит, — в полном согласии с изученными в школе началами термодинамики.

Еще ближе нам элементарная формула потенциальной энергии тела в поле тяжести Земли: E = mgh (где m — масса груза, h — высота его подъема, g — ускорение свободного падения). Именно в таком виде запасают ее мощные и надежные ГАЭС или проект немецкой компании Heindl Energy, поднимающий водным столбом внутри цилиндра цельный гранитный поршень диаметром до 250 м. Потенциальную энергию накапливают и тяжелые железнодорожные составы проекта ARES, которые буксируют бетонные грузы вверх и вырабатывают ток, когда спускаются с ними. Но для всего этого нужно иметь наготове холм высотой в несколько сотен метров и — как в случае с ГАЭС — большую площадь под строительство… Есть ли другие возможности?

Вариант почти невероятный

Накопитель в новосибирском Академгородке много места не занимает. За самым обыкновенным забором стоит новенькое здание размером с пятиэтажку — шоу-рум, в котором размещен действующий прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) высотой 20 м и мощностью 10 кВт. Внутри здания вдоль стен расположены две узкие ячейки ТАЭС шириной около 2 м и длиной около 12.

Принцип работы их основан на накоплении потенциальной энергии: двигатель потребляет электроэнергию из сети и с помощью каната поднимает наполненные грунтом полимерные мешки. Они крепятся наверху и в любой момент готовы начать спуск, вращая вал генератора. По словам основателя проекта «Энергозапас» Андрея Брызгалова, инженеры изучили почти сотню идей для промышленных накопителей энергии, но не нашли подходящего варианта и создали собственный.

Твердотельный накопительПолномасштабная ТАЭС будет достигать 300 м в высоту и сможет накапливать до 10 ГВт·ч. При грузообороте до 14 млн т в сутки она будет производить на грунт давление до 4 кг/см2 — меньше, чем обычная пятиэтажка. Расчетный срок службы: 50 лет.

В самом деле, Россия — страна богатая, но не рельефом. «Это практически ровный стол, — рассказывает Андрей Брызгалов, — возводить ГАЭС можно лишь в отдельных районах, остальное — равнинная плоскость». В отличие от водохранилища, ТАЭС можно установить где угодно: для строительства не требуется водохранилищ и естественного перепада высот. Мешки заполняются местным грунтом, который добывают при строительстве фундамента, а строить можно в чистом поле, которого в России достаточно.

Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км² составит 10 ГВт·ч, то есть станция займет примерно в пять раз меньше места, чем аналогичная ГАЭС. Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15 млн т груза. «Ежедневный грузооборот одной такой ТАЭС будет всемеро больше, чем у крупнейшего мирового порта, Шанхайского, — объясняет Андрей Брызгалов. — Вы представляете себе уровень задачи?» Неудивительно, что дальше начинается физика уже отнюдь не школьного уровня.

«Мы не можем позволить себе строить сразу 300-метровую башню, — говорит Андрей Брызгалов, — это по меньшей мере легкомысленно. Поэтому мы делаем конструкцию минимальных размеров, при которых она обладает свойствами полноразмерной ТАЭС». Как только проект получит господдержку в рамках Национальной технологической инициативы, в «Энергозапасе» приступят к работе. Возведение 80-метровой башни мощностью более 3 МВт позволит испытать строительные решения, которые на данный момент прошли только модельные испытания на многоядерных компьютерных кластерах.

Сложная наука

В самом деле, какой бы простой ни была высотная конструкция, ей предстоит столкнуться с опасностью землетрясений и нагрузкой ветра. Но вместо обычных решений с применением все более мощных и тяжелых несущих элементов из стали и бетона ТАЭС использует массу инженерных находок. Для борьбы с ветром ее окружат защитной «юбкой», которая раскинется на ширину примерно в четверть радиуса самой станции. Она будет превращать горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку, на которую рассчитана конструкция. «Это позволяет значительно сократить расходы на металл, который применяют для компенсации изгибных нагрузок, снизить себестоимость ТАЭС и тем самым поднять ее конкурентоспособность», — объясняют разработчики.

Сейсмические колебания демпфирует сама конструкция — матрица вертикальных колонн, к каждой четверке которых подвешено до девяти 40-тонных грузов. «В любой конкретный момент перемещается лишь небольшое количество груза, остальное действует как отвес, подавляя раскачивание. Несмотря на огромную массу, даже благодаря ей мы получили самое сейсмостойкое здание в мире, — уверяет Андрей Брызгалов, — причем практически без дополнительных расходов». Легкая, простая, лишенная перекрытий, такая башня будет в несколько раз дешевле обычного здания тех же размеров.

Накопители
Тип	Мощность	Время отклика	Продолжительность накопления и отдачи	Эффективность накопления-отдачи
Гравитационные / ГАЭС, ТАЭС /	МВт, ГВт	Секунды, минуты	От часов до недель	70−85%
Термические / солевые /	МВт	Минуты	Часы	80−90%
Электрохимические / МВт Li-Ion и другие /	Вт, МВт	Миллисекунды	Минуты, часы, дни	До 98%
Механические / маховики /	Вт, кВт	Миллисекунды	Секунды, минуты	До 98%
Химические / водород, метан, этанол и т. п. /	ГВт	От секунд до минут	Часы	До 45%

 

Накопители
Тип	Типичные сроки службы	Оптимальные участки использования	Плюсы	Минусы
Гравитационные / ГАЭС, ТАЭС /	Десятилетия	Генерация, распределение	Дешевизна, техн. зрелость	Требовательность к строит. участку, малая плотность
Термические / солевые /	Десятилетия	Генерация	Простота, техн. зрелость, экономичность	Подходят лишь для солнечных электростанций с концентраторами
Электрохимические / МВт Li-Ion и другие /	Годы	Генерация, распределение, потребление	Высокая плотность накопления, глубоко развитая технология	Подходят лишь для солнечных электростанций с концентраторами
Механические / маховики /	Годы	Потребление	Высокая точность, отзывчивость, надежность	Не подходят для накопления в больших или достаточных масштабах
Химические / водород, метан, этанол и т. п. /	Годы	Генерация, распределение	Технология дешева и легко масштабируется от «домашних» до промышленных масштабов	Низкая плотность накопления, опасность возгорания

Несмотря на внешнюю простоту, разработка накопителя потребовала не только знаний сложной физики и материаловедения, но даже аэродинамики и программирования. «Возьмите, например, провод, — объясняет Андрей Брызгалов. — Ни один не выдержит десятки миллионов циклов сгибания-разгибания, а мы рассчитываем на полвека бесперебойной работы. Поэтому передача энергии между подвижными частями ТАЭС будет реализована без проводов». Накопитель ТАЭС буквально нашпигован новыми технологиями, и десятки инженерных находок уже запатентованы.

Матричные преобразователи частоты тока позволяют мягко и точно управлять работой моторов и сглаживать выдачу энергии. Сложный алгоритм автоматически координирует параллельную работу нескольких тележек-подъемников и требует лишь удаленного присмотра со стороны оператора. «У нас есть специалисты десятков направлений, — говорит Андрей Брызгалов, — и все они работают, не ожидая моментального результата и окупаемости проекта в ближайшие 2−3 года. При этом создано решение, равного которому нет нигде в мире. Теперь его можно лишь повторить, но сделать такое с нуля было возможно только в России, только в Сибири, где есть такие люди».

Впрочем, без уверенности в том, что проект рано или поздно станет прибыльным, ничего бы не состоялось. «Проблема российской энергосистемы — избыток мощностей, — продолжает Андрей Брызгалов. — Исторически сложилось так, что мы генерируем больше, чем надо, и это позволяет немало экспортировать, но и создает серьезный запрос на аккумулирующие мощности». По оценкам Navigant Research, к 2025 году этот рынок будет расти средними темпами в 60% ежегодно и достигнет 80 млрд долларов. Возможно, эти деньги преобразуют типичный российский пейзаж, и где-то у горизонта обычной бесконечной плоскости появятся и станут привычными гигантские гравитационные накопители.

 

Гигантские солнечные электростанции в Сахаре.

Автор Владимир Санников

17 апреля 2012 10:02

Первоначальная публикация: Портал «Попмеханика» URL.: https://www.popmech.ru/technologies/12615-gigantskie-solnechnye-elektrostantsii-sakhary/?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=targetings-PopMechanics&utm_content=archive&utm_term=20180612-12615-tw

В 1914 году американский изобретатель Фрэнк Шуман в интервью журналу Scientific American заявил, что, если человечество не овладеет энергией Солнца, его ждет возврат к варварству. Буквально через год первая в мире ирригационная установка с параболическими зеркальными концентраторами и паровыми насосами, возведенная Шуманом на хлопковых плантациях близ Каира, была варварски разрезана на металлолом для переплавки в стволы орудий.

Как и многие другие гении, Шуман опередил свое время. Над проектом строительства в Северной Сахаре 2,7-тераваттного (тераватт — это миллион мегаватт!) комплекса солнечных концентраторов суммарной площадью 52 000 км², который был им предложен британскому генконсулу лорду Китченеру, потешался весь научный бомонд Европы. Даже добрый друг Шумана, известный физик сэр Чарльз Вернон Бойс, автор идеи по использованию линейных параболических зеркал для концентрации солнечного излучения, объявил проект утопией. Единственным человеком, принявшим американца всерьез, был кайзер Германии Вильгельм II, крайне заинтересованный в усилении немецкого влияния в ключевых районах Африки.

В начале 1914 года через компанию Siemens & Halske AG Вильгельм II выделил Шуману 200 000 марок на топографические исследования в Сахаре и разработку новых параболических установок с паровыми турбинами низкого давления. Но Первая мировая превратила эти деньги в пыль. Процветающая компания Sun Power обанкротилась, а сам пионер солнечной энергетики был вынужден вернуться в Штаты, где и почил в бозе в 1918 году. После войны об идеях Шумана никто не вспомнил, ведь солнца в холодной Европе было гораздо меньше, чем угля и железа, а Америка уже купалась в легкой техасской нефти.

Основной объем генерации в cети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14 500 км², расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке» через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу по цене 5 — 7 евроцентов за кВтч и перекроют не менее 15% спроса.

До начала 1990-х годов доля солнечной энергетики в общей массе исследовательских проектов была ничтожной. И даже когда лед тронулся, первоочередное финансирование потекло в область хайтековского фотоэлектричества, а ученые, занимавшиеся технологиями гелиотеплоэнергетики, еще долго перебивались случайными грантами. «Когда в 1987 году я попал в мир солнечной энергетики, то был поражен царившим в нем унынием. Вместо серьезной научной работы люди занимались поисками денег, — вспоминает известный немецкий физик и истинный солнцепоклонник Герхард Книс, посвятивший более четверти века реализации идей Шумана. — Правительству на фоне дешевой нефти эта тема казалась неинтересной, а лица венчурных инвесторов принимали постное выражение, стоило им услышать о «примитивных» параболических зеркалах, линзах Френеля или солнечных башнях с двигателями Стирлинга».

Солнцепоклонники

Вплоть до 2006 года Книс действовал практически в одиночку. Но игра стоила свеч: по его расчетам, всего 0,003% площади непригодных для жизни пустынь планеты (или 1% площади Сахары) способны обеспечить дешевым электричеством всю цивилизацию. И для этого не нужно никаких экзотических технологий — с задачей легко справятся всевозможные системы концентрации солнечного излучения, известные инженерам уже более сотни лет. Солнце сможет дать работу сотням тысяч жителей Северной Африки и, как бы парадоксально это ни звучало, окончательно решит проблему нехватки питьевой воды на Черном континенте.

Главный технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик более 30 лет, снизит цену 1кВтч промышленного солнечного электричества до 4−5 центов.

Дело в том, что солнечная плантация отличается от обычной угольной или газовой ТЭЦ лишь источником тепла для получения перегретого пара. В среднем расход деминерализованной воды на 1 МВт мощности в установках с параболическими концентраторами составляет 17 000 т в год, из которых около 340 т уходят на очистку отражающих поверхностей. Для обеспечения технологического процесса на северном побережье Африки придется построить разветвленную сеть опреснительных заводов и насосных станций, которые дадут чистую воду десяткам миллионов людей. Разумеется, работать они будут также на энергии Солнца.

Превратить фотонный ливень Сахары в электричество — лишь полдела. Главное с минимальными потерями доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах километрах от источника. Переменный ток для межконтинентальной сети не годится из-за больших потерь на длинных дистанциях передачи. На каждой сотне верст километров подводного 750-киловольтного кабеля теряется «обнуляется» до 60% мощности энергии переменного тока. При этом равный ему по сечению подводный кабель HVDC (высоковольтной линии постоянного тока) теряет на таком же маршруте всего 0,3−0,4% энергии.

Для формирования высоковольтных HVDC магистралей будет применяться медный кабель сечением 1600 мм² с усиленной изоляцией, пропитанной в массе нестекающим составом (Mass Impregnated Non Draining, типа MIND) с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND такого кабеля за счет тяжелого свинцового экрана и двойной броневой рубашки из стали весит целых 40 кг и стоит 1100 долларов. Серийно его не производят: для каждого конкретного проекта на заводах компаний Nexans и Prysmian разрабатывается оптимальная конфигурация конструкция кабеляэлементов MIND.

Для того чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро. До 2050 года в Европе необходимо модернизировать 34 существующие межсистемные высоковольтные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800 кВ и построить 5125 км новых линий, а до 2020 года — протянуть по дну Средиземного моря 6 магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной способностью 20 ГВт.

 

Сначала в научном сообществе над Герхардом Книсом посмеивались, затем принялись критиковать, потом делали вид, что проблемы не существует, и лишь через 20 лет идея столетней давности стала чем-то само собой разумеющимся. В 2009 году при поддержке политиков, коллег из Германского аэрокосмического центра (DLR) и группы ученых из Римского клуба Кнису удалось создать консорциум Desertec Industrial Initiative, в который вошли 59 корпораций из 15 стран мира, в том числе гиганты ABB, Deutsche Bank, Siemens.

Каждые сутки пустыни планеты поглощают в 10 000 раз больше энергии, чем потребляет население Земли в течение года.

Масштабы задуманного поражают воображение и на первый взгляд напоминают бредовые послевоенные планы СССР по переброске части стока Иртыша и Оби в Среднюю Азию. Судите сами: к 2050 году Desertec не только превратит Сахару в гигантскую солнечную электростанцию, но и свяжет подводными высоковольтными силовыми магистралями в единую сеть 20 офшорных ветровых плантаций, 7 гидроэлектрических и 11 тепловых станций на возобновляемом сырье от Исландии до Персидского залива. Стоимость этого мегапроекта составит не менее 400 млрд. евро.

Основной объем генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км², расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу.

Предполагаемая конфигурация южного сектора Desertec займет всего 0,14% пригодных территорий. По мере роста энергопотребления Сеть сможет наращивать мощности за счет модернизации существующих комплексов CSP и установки ветряков (в Сахаре полно районов с устойчивыми ветрами «промышленного» значения).

Королевство кривых зеркал

Коренной технологией североафриканского гелиоэнергетического района Desertec будет концентрация солнечной энергии. Почему не прямая генерация при помощи фотоэлектрических панелей? Все просто: ТЭС на солнечном тепле могут вырабатывать мощность 24 часа в сутки, тогда как заведомо более дорогие панели всецело зависят от погоды. Теоретически, в фотоэлектрических комплексах имеется возможность запасать небольшие объемы энергии в литий-ионных батареях, но стоимость 1 кВт•ч при этом будет совершенно «несъедобной».

Наиболее эффективными из всех существующих систем CSP специалисты Desertec считают параболические линейные концентраторы, подобные тем, которые еще 100 лет назад использовал Фрэнк Шуман. Эти огромные зеркала внешне напоминают сегмент цилиндра, хотя на самом деле их профиль представляет собой параболу, а не сектор окружности. Типичный промышленный концентратор для проекта Desertec — это каскад из управляемых гелиостатами (устройствами для ориентации на Солнце) зеркал суммарной площадью апертуры (максимальная проецируемая площадь, на которую поступает солнечное излучение) от 500 000 до 2,5 млн м2, установленных рядами на стальных пилонах в направлении с севера на юг. Ширина отдельного параболического зеркала в апертуре колеблется в пределах 6 — 7,5 м, а степень концентрации излучения равняется 1000:1.

В линии фокуса параболы находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем (дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Под воздействием отраженных лучей коллектор нагревается до 350 — 700 °C, а теплоноситель «смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или в тепловой аккумулятор (ТА). При этом давление в коллекторе подскакивает до 18 — 20 атм.

Свет мой зеркальце

 

Эффективность преобразования солнечных лучей в тепло зависит в первую очередь от качества параболических зеркал. Лучшие зеркала нюрнбергской компании Flabeg марки UltimateTrough с коэффициентом отражения свыше 94,4% обеспечивают точность фокусировки не менее 99,9%. По словам Олафа Кнебеля, технического директора Flabeg, изготовление огромных зеркал из отожженного стекла толщиной 4−5 мм на стальной основе и нанесение серебряной амальгамы — работа ювелирной точности. Цена небрежности чрезвычайно высока: отклонение лучей от линии идеального фокуса всего на 1 мм за 25 лет работы 50-мегаваттного CSP комплекса приведет к потере 11 млн. евро потенциальной выручки.

В 2011 году инженеры корпорации Alcoa и ученые из Национальной лаборатории по возобновлемым источникам энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) начали тестирование параболических зеркал с жестким алюминиевым корпусом и патентованным нанокомпозитным зеркальным покрытием MicroSun компании Alanod Solar. Покрытие MicroSun обладает великолепным коэффициентом отражения 95% и чрезвычайно устойчиво к абразивному воздействию. В целом, оснащение солнечной плантации алюминиевыми параболами взамен хрупких и тяжелых стеклянных зеркал позволит сэкономить инвесторам до 25% бюджета. Американская компания SkyFuel предлагает еще более радикальное решение — самоклеящуюся рулонную полимерную пленку ReflecTechPlus с гибким серебряным слоем и модульные цельноалюминиевые панели SkyTrough. В 2010 году технология прошла независимые испытания в лаборатории NREL, которые подтвердили ее термальную эффективность на уровне 75% при температуре теплоносителя 350 °C.

 

Классический ТА имеет двухкамерную конструкцию и использует в качестве теплоносителя солевой расплав — смесь 60% натриевой и 40% калийной селитры. Это вещество идеально для рабочих температур от 200 до 580 °C. Оно работает при куда меньшем давлении, чем водяной пар, и не разлагается при температурах свыше 400 °C, как органические масла.

Электричество, полученное на 20 м² поверхности Сахары с помощью параболических концентраторов с КПД 25%, может полностью обеспечить потребности среднестатистического европейца с учетом ежедневной зарядки аккумулятора личного электромобиля.

 

Теплоноситель поддерживается в жидком состоянии в «холодной» камере с помощью газовых горелок (288°С). В ясную погоду расплав прокачивается через солнечные концентраторы и набирает рабочую температуру (565°С), после чего попадает в «горячую» камеру-термос. Камера так хорошо изолирована, что температура расплава может поддерживаться на этом уровне в течение недели. Ночью, при плотной облачности или при пиковых нагрузках в сети расплав из «горячей» камеры разряжается на теплообменниках ТЭС и генерирует перегретый пар. После этого в контуре водяного или воздушного охлаждения отработанный расплав сбрасывает остаточную теплоту и сливается в «холодную» камеру.

По оценке президента Nexans Фредерика Венсана, для того, чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро.

В настоящее время при проектировании новых проектов от двухкамерных ТА стали отказываться в пользу более эффективных однокамерных. Они работают по принципу термоклина — вертикального распределения несмешивающихся слоев жидкости с различной температурой. ТА с твердой средой — еще одна крайне перспективная технология хранения энергии, над которой работают ученые из Германского аэрокосмического центра DLR. Твердотельные ТА с относительно высоким уровнем саморазряда идеальны для солнечных ферм, расположенных в зонах со стабильно высокой инсоляцией. Кроме того, они практически не требуют обслуживания и замены рабочей среды.

Цена укладки каждой 1000 км кабеля на морское дно колеблется от 1,8 до 2,5 млрд. евро, поэтому по мере увеличения объемов генерации в Сахаре емкость Сети будет наращиваться добавлением новых линий к уже существующим. Пока что Европу и Африку связывает всего одна подводная ЛЭП переменного тока напряжением 400 кВ, лежащая на дне Гибралтара.

ГОЭЛРО для Африки

Свое участие в Desertec уже подтвердили Алжир, Египет, Иордания, Ливия, ОАЭ, Саудовская Аравия, Сирия и Тунис. Но первой ласточкой Desertec станет ферма мощностью 500МВт близ Варзазата, Марокко. Сооружение этого комплекса стоимостью ?2,1 млрд начнется уже в этом году, а коммерческие киловатты Варзазата начнут поступать в сеть в 2014-м. По словам президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат станет основным полигоном для обкатки технологий и будет оснащен всеми типами устройств — параболическими концентраторами, солнечными башнями, зеркальными тарелками с двигателем Стирлинга, линейными линзами Френеля, фотоэлектрическими (PV) панелями и различными типами тепловых хранилищ.

 

 

 

Статическое электричество из воздуха

Первоначальная публикация – портал «Автоматизация и электрика»/ https://www.asutpp.ru/osnovy-elektrotexniki/elektrichestvo-iz-vozduxa.html

26.08.2015Рубрика: Основы электротехники

Много лет ученые ищут идеальный альтернативный источник электроэнергии, который позволил бы добывать ток из возобновляемых ресурсов. О том, как получить статическое электричество из воздуха, задумывался еще Тесла в 19 веке, и сейчас ученые пришли к выводу, что да, это вполне реально.

Виды добычи

 

Альтернативное электричество может добываться из воздуха двумя способами:

1. Ветрогенераторами;
2. За счет полей, пронизывающих атмосферу.

Как известно, электрический потенциал имеет свойство накапливаться в течение определенного времени. Сейчас атмосфера изнизана различными волнами, производящимися электрическими установками, приборами, естественным полем Земли. Это позволяет говорить о том, что электричество из атмосферного воздуха можно добыть своими руками, даже не имея никаких специальных приспособлений и схем, но про особенности токопроизводства по этому варианты мы расскажем ниже.

Фото — грозовая батарея

Ветрогенераторы – это давно известные источники альтернативной энергии. Они работаю за счет преобразования силы ветра в ток. Ветряной генератор – это устройство, способное работать продолжительное время и накапливать энергию ветра. Данный вариант широко используется в различных странах: Нидерландах, России, США. Но, одной ветряной установкой можно обеспечить ограниченное количество электрических приборов, поэтому для питания городов или заводов устанавливаются целые поля ветроустановок. В использовании этого способа есть как достоинства, так и недостатки. В частности, ветер – это непостоянная величина, поэтому нельзя предугадать уровень напряжения и накопления электричества. При этом, это возобновляемый источник, работа которого совершенно не вредит окружающей среде.

Фото — ветряки

Видео: создание электричества из воздуха

Как добыть энергию из воздуха

Простейшая принципиальная схема не включает в себя никаких дополнительных накопительных устройств и преобразователей. По сути, требуется только металлическая антенна и земля. Между этими проводниками устанавливается электрический потенциал. Он со временем накапливается, поэтому это непостоянная величина и рассчитать его силу практически невозможно. Такое, вырабатывающее ток, устройство работает по принципу молнии – через определенный промежуток времени происходит разряд тока (когда потенциал достиг своего максимума). Таким образом, можно извлечь из земли и воздуха достаточно большое количество полезной электроэнергии, которой будет достаточно для работы электрической установки. Её конструкция подробно описывается в труде: «Секреты свободной энергии холодного электричества».

Схема имеет свои достоинства:

1. Простота в реализации. Опыт можно с легкостью повторить в домашних условиях;
2. Доступность. Не нужно никаких приспособлений, самая обычная пластина из токопроводящего металла подойдет для реализации проекта.

Недостатки:

1. Реализация схемы очень опасна. Нельзя рассчитать даже примерное количество ампер, не говоря уже про силу токового импульса;
2. При работе образовывается своеобразный открытый контур заземления, к которому притягиваются молнии. Это является одной из самых главных причин, почему проект не «пошел в массы» — он опасен для жизни и производства. Удар молнии подчас достигает 2000 Вольт.

С этой точки зрения, свободное электричество, добытое при помощи ветрогенераторов более безопасно. Но тем ни менее, сейчас можно даже купить такой прибор (к примеру, ионизатор-люстра Чижевского).

Но есть еще один вариант рабочей схемы – это генератор TPU электричества из воздуха от Стивена Марка. Это устройство позволяет получить определенное количество электроэнергии для питания различных потребителей, причем, делает он это без какой-либо подпитки из вне. Технология запатентована и многие ученые уже повторили опыт Стивена Марка, но из-за некоторых особенностей схемы она еще не пущена в обиход.

Принцип работы прост: в кольце генератора создается резонанс токов и магнитные вихри, они способствуют появлению в металлических отводах токовых ударов. Рассмотрим наглядно, как сделать тороидальный генератор, чтобы добыть электричество из воздуха:

1. Вам понадобится основание (это может быть кусок фанеры в форме кольца, отрезок резины, полиуретана и т. д.), две коллекторные катушки (внутренняя и внешняя) и катушки управления. Индивидуальный чертеж может иметь другие размеры, но в основании берется кольцо с наружным диаметром 230 мм, внутренним 180 мм, шириной 25 мм и толщиной 5 мм. Вырежьте из основания кольцо этого размера;
2. Теперь нужно намотать внутреннюю коллекторную катушку. Намотка трехвитковая, производится многожильным проводом из меди. Специалистами заявляется, что и одного витка намотки будет достаточно для запитки лампочки и проведения эксперимента;
3. Управляющих катушек – четыре штуки, каждая из них должна находиться под прямым углом, в противном случае, будут создаваться помехи магнитному полю. Намотка плоская, зазор между отдельными витками (катушками) примерно 15 мм, но это зависит от особенностей выбранного материала;
4. Для намотки управляющих катушек могут использоваться медные одножильные провода, на описываемый размер рекомендуется делать 21 виток;
5. Для установки последней катушки используется медный провод с изоляцией. Он наматывается по всей площади основания.

На этом конструирование можно считать завершенным. Теперь нужно соединить выводы. Предварительно нужно между выводами обратной земли и земли установить конденсатор на 10 микрофарад. Для запитки схемы используются скоростные транзисторы и мультивибраторы. Они подбираются опытным путем, т. к. их характеристики зависят от размера основания, видов провода и некоторых других особенностей конструкции. Для управления схемой можно использовать стандартная кнопка питания (ВКЛ – ВЫКЛ). Для более подробной информации рекомендуем просмотреть видео по генератору Стивена Марка в Xvid или TVrip-качестве.

Не менее нашумевшим открытием стал генератор Капанадзе. Этот бестопливный источник энергии был презентован в Грузии, сейчас он тестируется. Генератор позволяет добывать электричество из воздуха без использования сторонних ресурсов.

В основе его работы лежит катушка Теслы, которая расположена в специальном корпусе, накапливающем электроэнергию. В свободном доступе есть видео с конференции и опыты, но нет никаких документов, реально подтверждающих существование этого изобретения. Схема не разглашается.

 

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ АНТЕННЫ И ПРИЁМНИКА

Первоначальная публикация- научный журнал «Успехи современного естествознания URL.: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=31296

Касьянов Г.Т.  1

Первоначальная

1 Общественная лаборатория «Вихревая электроэнергетика»

Общеизвестно, что диэлектрики в электрических схемах далеко не всегда играют роль изоляторов. Реально они содержат не меньшее количество зарядов, чем проводники, но все заряды в диэлектриках закреплены на своих местах внутренним электрическим полем, т.е. уравновешены, а свободно перемещающихся, как в проводниках, нет. Поэтому нет и электрических токов проводимости – потоков зарядов, управляемых напряжением. Отсюда и вытекает, что диэлектрик – изолятор.

Однако, существуют условия, при которых равновесие зарядов в диэлектриках может быть нарушено, и тогда они могут выполнять роль проводников. Всем известный пример – плёнки диэлектриков, используемых в конденсаторах. Плёнки прекрасно проводят переменный электрический ток. Однако этот ток – не поток зарядов, как в проводниках, а лишь смещение множества зарядов из своего закреплённого состояния. И всё равно, такое движение зарядов – тоже электрический ток. Хотя и обладающий несколько иными свойствами, чем ток проводимости. Это – ток поляризации.

Явление поляризации возникает в любом диэлектрике, если его поместить во внешнее электрическое поле. Под действием этого поля в нём образуются электрические диполи, при этом на граничных поверхностях диэлектрика возникают нескомпенсированные электрические заряды [1]. Естественно, если напряжённость внешнего поля менять, например, по периодическому закону, то в диэлектрике возникает поляризационный ток, изменяющийся по тому же закону [2]. Такое явление возникает в любом диэлектрике, лишь бы он находился во внешнем электрическом поле.

Используя это физическое явление, можно объяснить, например, такой феномен, как работа однопроводных (незамкнутых) электрических цепей, примеры которых подробно описал сто с лишним лет назад гениальный экспериментатор Никола Тесла. При работе в этих цепях ток проводимости в местах разрыва цепи можно легко (технологии Теслы) превратить в ток поляризации, распространяющийся в диэлектрической среде, и с помощью уже такого тока цепь может быть замкнута и реально работать на полезную нагрузку.

При изменении внутренней структуры диэлектрика с образованием электрических диполей в нём возникает ряд интересных и перспективных явлений. Одно из них – генерация с помощью атмосферы (диэлектрик!) электроэнергии при выполнении экспериментатором определённых физических условий. Н. Тесла был первым, кто понял, что это вполне реально. Он создал «тесловские» трансформаторы и построил башни с уединёнными полусферическими конденсаторами на вершине, которые как бы «раскачивали» атмосферу и заставляли её выделять громадное количество энергии. Впрочем, Тесла опередил своё время и его многие открытия, как и работы более поздних его последователей, оказались невостребованными: в то время ещё далеко было до глобального энергетического кризиса…

Запатентованные тесловские устройства по утилизации атмосферного электричества требовали размещения крупной металлической пластины (антенны) на большой высоте. Антенна соединялась с землёй через кабель и конденсатор большой ёмкости. Наверху антенна заряжалась электричеством до больших величин, после чего с помощью прерывателя, соединённого с конденсатором, заряд превращался в переменный ток, годный к употреблению. Но что заряжало антенну? Убеждённый в существовании эфира, Тесла полагал, что это были мелкие частицы эфира, а также космическое и солнечное излучения [3].

Позднее в научном сообществе всякие ссылки на эфир были изъяты из исследовательских работ, поэтому в современных патентах, описывающих устройства по утилизации атмосферного электричества (например, [4]), принцип действия устройств авторами объясняется существованием вертикального градиента электрического поля Земли. Между антенной на высоте и электрическими схемами внизу существует разность потенциалов, вот её и пытаются использовать для утилизации энергии. Впрочем, поднимать громоздкую антенну на несколько сот метров вверх, как рекомендуется в патентах, и затем работать с ней там длительное время, невзирая на погоду, – задача сама по себе не из самых простых.

Однако, как показывают наши эксперименты, антенну в подобных устройствах вовсе не обязательно поднимать вверх.

В настоящей работе мы опишем действующую модель устройства, получающего электроэнергию из атмосферы с помощью антенны, расположенной, однако, на столь малой высоте, что с её помощью использовать разность потенциалов земного электрического поля не имеет смысла [5].

Устройство представляет собой незамкнутую (однопроводную) электрическую цепь, на одном конце её включена антенна (в терминах электротехники – уединённый конденсатор), которая изолирована от земли, но расположена на столь же малой высоте, что и приёмник электроэнергии. Антенна-уединённый конденсатор представляет собой либо металлическую (можно металлизированную) пластину (в описываемом устройстве – площадью около одного квадратного метра), либо металлическую решётку той же площади. На уединённый конденсатор с помощью повышающего трансформатора приёмника электроэнергии подаётся переменное напряжение амплитудой 800–1000 Вольт и частотой в несколько десятков килоГерц (рисунок). На низковольтную обмотку этого трансформатора работает генератор периодического напряжения, питающийся от автомобильного аккумулятора. К другому контакту повышающей обмотки трансформатора подсоединена нагрузка – резистор величиной в несколько десятков килоОм, второй контакт которого заземляется.

Модель устройства, получающего электроэнергию из атмосферы с помощью антенны:1 – антенна (уединённый конденсатор), 2 – генератор переменного напряжения с питающим аккумулятором, 3 – повышающий трансформатор, 4 – нагрузка, 5 – заземление

Таким образом, в схеме создана цепь для заряда/разряда уединённого конденсатора, соединённая с землёй, при этом ток заряда/разряда протекает через нагрузку, выделяя в ней полезную энергию. Эксперимент показывает, что этот ток и полезная энергия в нагрузке возрастают при увеличении площади уединённого конденсатора-антенны. Заметим, что конструктивная ёмкость конденсатора-антенны относительно земли в происходящих процессах роли не играет: она слишком мала и, кроме того, если эту ёмкость ещё уменьшить, например, поднимая уединённый конденсатор выше, ток заряда/разряда не только не уменьшится, а наоборот, имеет тенденцию к увеличению.

Практически в схеме, изображённой на рисунке, при описанных выше параметрах удавалось получить на выходе более 20 Ватт электроэнергии при затратах аккумулятора, не превышающих 9,5 Ватта. Кроме резистора в нагрузке были использованы и работали цепочки светодиодов и небольшие лампы накаливания. Возможно также подключение (через согласующие трансформаторы) заряжающих устройств для мобильных телефонов и других схем.

Если отключить уединённый конденсатор от повышающего трансформатора при работающем генераторе, ток через нагрузку уменьшается на четыре-пять порядков. Приёмник без антенны перестаёт получать дополнительную энергию извне – из атмосферы.

Каким образом можно объяснить процесс извлечения электрической энергии из атмосферы с помощью антенны и генератора периодического напряжения? Вертикальный градиент электрического поля Земли в нашем случае не играет роли. О существовании мелких частиц эфира в доступной нам научной литературе никаких сведений нет.

Посмотрим ещё раз на рисунок. Антенна, соединённая с высоковольтной обмоткой трансформатора, практически не излучает в пространство радиоволны на частоте колебаний генератора напряжения, поскольку длина волны колебаний, производимых генератором, выбирается порядка 10–15 километров, а длина антенны, удовлетворяющая условию мобильности и малогабаритности описываемого устройства, выбирается в тысячи раз короче. Но антенна возбуждает в локальной области пространства вокруг себя переменное высоковольтное электрическое поле. Поле поляризует молекулы воздуха, превращая их в электрические диполи (см. [1]). Поляризованные молекулы выстраиваются вдоль линий напряжённости поля, при этом поворот осей симметрии поляризованных молекул вдоль линий напряжённости увеличивает силу взаимодействия их с источником внешнего поля (антенной). В итоге происходит процесс пространственного упорядочивания электрических диполей в организованной внешним полем среде.

Далее происходит следующее. Принципиальное отличие уединённого конденсатора-антенны от конденсатора обычного, с параллельными пластинами и однородным электрическим полем между ними, состоит в том, что уединённый конденсатор конечных размеров создаёт вокруг себя в диэлектрике (в нашем случае – в атмосфере) неоднородное по напряжённости электрическое поле; действительно, напряжённость поля уменьшается при удалении от уединённого конденсатора, следовательно, поле неоднородно.

Известно, что диполи, находящиеся в неоднородном электрическом поле, втягиваются в сторону б. Ольшей его напряжённости [6]. Поэтому в начале каждого периода заряда уединённого конденсатора атмосферные диполи будут стремиться расположиться как можно ближе к его поверхности с силой, пропорциональной градиенту напряжённости поля. Таким образом, во время заряда за счёт неоднородности поля увеличивается объёмная (и поверхностная) плотность электрических зарядов у поверхности уединённого конденсатора. Естественно, увеличение плотности зарядов вблизи поверхности вызывает увеличение общего заряда Q уединенного конденсатора. В соответствии с известной формулой

Q = CU,

где С – ёмкость конденсатора, U – напряжение на нём.

При неизменной амплитуде напряжения U на конденсаторе, задаваемой генератором, увеличение заряда Q эквивалентно увеличению ёмкости С уединённого конденсатора. При увеличении ёмкости увеличивается и зарядно/разрядный ток, определяемый по формуле:

I = CdU/dt.

Увеличение тока ведёт к возрастанию мощности в нагрузке.

Обратим внимание на следующее. Изменение ёмкости уединённого конденсатора происходит синхронно с процессами его заряда и разряда, т.е. привязано к периодическому напряжению U, выдаваемому генератором. Если это напряжение имеет по форме и положительную, и отрицательную полуволны за период колебания, то изменение ёмкости будет происходить в два раза чаще частоты повторения колебаний генератора: атмосферные диполи будут поворачиваться к поверхности конденсатора то одним, то другим своим зарядом в течение одного периода. Но периодический процесс с изменением ёмкости в два раза чаще, чем частота колебаний основного генератора, с точки зрения теории электрических цепей с переменными параметрами имеет признаки одного из вариантов параметрического процесса [7], и в нём источником накачки, для нашего случая, является сама атмосфера. Мы полагаем, что сумму энергии генератора и энергии накачки, отдаваемой атмосферой, как раз и выделяет приёмник, описанный в этой работе.

Вероятно, роль источника накачки для устройств, подобных описанному здесь, может играть не только атмосфера, но и другие диэлектрики. Так ли это и какие из диэлектриков могли бы выполнять эту роль наиболее эффективно – должен показать опыт.

Расположение антенны уединённого конденсатора вблизи поверхности земли рядом с приёмником электроэнергии существенно упрощает и делает более надёжным способ получения энергии из атмосферы. Понятно, что при практическом использовании это позволит во много раз снизить затраты на производство таких устройств и, следовательно, удешевить стоимость получаемой электроэнергии.

Библиографическая ссылка

Касьянов Г.Т. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ АНТЕННЫ И ПРИЁМНИКА // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 1. – С. 125-128;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=31296 (дата обращения: 11.06.2018).