wieża słoneczna - opis konstrukcji - schemat pracy

 Słońce jest niewyczerpalnym źródłem energii, dostępnym praktycznie bez ograniczeń, bez emisyjnym i darmowym. Energię słoneczną można wykorzystać na wiele sposobów, na przykład do produkcji energii elektrycznej za pomocą uniwersalnych solarnych wież wyciągowych, które mogą czerpać z odnawialnych źródeł energii na wiele sposobów.

Źródło : Wikipedia / Widakora

W jaki sposób solarna wieża wznosząca wytwarza energię elektryczną?

Solarna wieża ciśnień to urządzenie do produkcji energii elektrycznej z energii cieplnej dostarczanej przez słońce. W ciągu dnia powietrze nagrzewa się w ogromnym kolektorze słonecznym, unosi się i wydostaje przez wysoką wieżę lub komin. Poruszające się powietrze napędza turbiny, wytwarzając energię elektryczną. Słońce ogrzewa powietrze w szklarni do temperatury około 70°C.

Solarna wieża ciśnień - opis konstrukcji 

Słoneczna wieża ciśnień składa się z trzech podstawowych elementów: szklanego kolektora dachowego, wieży lub komina, turbiny wiatrowej - solarną wieżę ciśnień z kolektorami można porównać do szklarni z kominem.

Kolektor montowany jest na wysokości kilku metrów nad ziemią, jego wysokość wzrasta w kierunku podstawy wieży i wykonany jest ze szkła lub tworzywa sztucznego. Kolektor umożliwia również magazynowanie energii cieplnej za pomocą czarnych rur wypełnionych wodą, ułożonych jedna wokół drugiej. Rury są montowane pod kolektorem i szczelnie zamykane. Woda w rurach nie musi być uzupełniana. Nie ma też problemów z jej odparowywaniem. Efektywność produkcji energii w wieży słonecznej zależy od wielkości kolektora. Im większa powierzchnia kolektora, tym większa objętość powietrza jest ogrzewana i wzrasta produkcja energii elektrycznej. Teoretycznie powierzchnia kolektora powinna wynosić około 3,5 km Ciepło może być gromadzone pod powierzchnią kolektora, gdzie będzie wykorzystywane do niesolarnej pracy wieży, poprzez oddawanie ciepła chłodnemu powietrzu, co wymusza jego cyrkulację w nocy. 

Wieża jest pionową konstrukcją budowlaną, obciążoną wiatrem w kierunku poziomym oraz obciążeniem grawitacyjnym. W przeszłości do budowy wież słonecznych wykorzystywano długie, malowane na czarno rury stalowe, a także stare, nieczynne kominy fabryczne. Podobnie jak w przypadku kolektorów, efektywna praca wieży solarnej zależy od wysokości komina.

Przy wyższym kominie występuje z kolei większa różnica ciśnień spowodowana tzw. efektem kominowym, co z kolei wymusza większą prędkość przepływu powietrza. Zgodnie z przyjętymi założeniami optymalna wysokość komina dla dużej elektrowni 

powinna wynosić około 1000 metrów. Zwiększenie wysokości komina i powierzchni kolektora spowoduje zwiększenie przepływu powietrza przez turbiny, a więc i ilości produkowanej energii. Wadą wież słonecznych jest konieczność pracy w miejscach nasłonecznionych oraz zajmowanie znacznej powierzchni pod kolektorem. Obszary nadające się do budowy to te o niskiej wartości, np. pustynie.

Turbina - Turbiny napędzane ruchem powietrza wewnątrz wieży wytwarzają energię elektryczną. Prędkość powietrza przed i za turbiną jest prawie taka sama. Turbiny wiatrowe mogą być montowane poziomo po podłączeniu kolektora do wieży. 

Pierwsza na świecie wieża wyciągowa wykorzystująca energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej

Pozyskiwanie energii elektrycznej z wieży słonecznej zostało opracowane przez hiszpańskiego naukowca Isidoro Cabanyesa. W 1902 roku opatentował on silnik Air-solar do produkcji energii elektrycznej z komina słonecznego, a 25 sierpnia 1903 roku w czasopiśmie naukowym La energía eléctrica opisał działanie komina słonecznego do produkcji energii elektrycznej. Komin słoneczny składał się z paneli w kształcie stożka (w zasadzie pierwszego kolektora słonecznego), które były wykonane ze szkła i żelaznych ram pomalowanych na czarno, oraz wysokiego komina z zamontowanym wewnątrz wiatrakiem. Komin słoneczny zaczynał działać, gdy ogrzane wewnątrz kolektora powietrze, unosząc się ku górze, napędzało wentylator, który z kolei wprawiał w ruch silnik. Energia elektryczna była również magazynowana w akumulatorach. Elektrownia mogła pracować maksymalnie przez 8 godzin, do czasu.

Isidoro Cabanyes rozwinął swój projekt w następnym okresie, a po licznych ulepszeniach w Cartagenie powstała pierwsza na świecie wieża słoneczna, która produkowała energię elektryczną.

Cabanyes, najpierw sam, a potem z Luisem de la Matą, eksperymentował i konstruował coraz lepsze i większe modele silników. Wspólnie zaprezentowali dwudziestometrowy model na wystawie przemysłowej w Madrycie w 1907 r.

Wizje Hannsa Günthera 

Hanns Günther był niemieckim pisarzem, który w swojej książce fantastyczno-naukowej "In hundert Jahren - Die künftige Energieversorgung der Welt" przewidział wyczerpanie się ropy naftowej na świecie, a przyszłością świata będzie energia odnawialna.Hanns Günther w swoich publikacjach przedstawił prototyp wieży słonecznej zbudowanej na zboczu góry w Afryce Północnej. Wieża słoneczna miała kolektory ułożone na pustynnym piasku, a od kolektorów do szczytu góry ciągnęła się pusta rura. Hanns Günther twierdził, że w rurze można osiągnąć rosnącą prędkość powietrza 50 m/s, a z turbin wiatrowych zainstalowanych w budynku na szczycie góry można uzyskać ogromną ilość energii. Wieża górska mogła również pełnić funkcję pionowej szklarni.

Patenty Roberta E. Luciera na wydajną wieżę słoneczną typu updraft

W latach 70. ubiegłego wieku Robert E. Lucier przedstawił swoje patenty na budowę wież słonecznych.

Patenty zostały zakupione przez Izrael, Kanadę i USA. Robert E. Lucier opisał działanie wież słonecznych jako urządzenia do konwersji ciepła słonecznego w energię elektryczną poprzez gromadzenie normalnie nieogrzewanego powietrza pod przezroczystym dachem. Jako idealne tereny do budowy wież słonecznych wymienił obszary z gorącym powietrzem, gorącą pogodą oraz słabo zaludnione tereny pokryte piaskiem, żwirem lub skałami. Słoneczna wieża wznosząca miała zapewnić nieskończone źródło energii przy niezwykle niskich kosztach.

Słoneczne wieże wznoszące na świecie :

Hiszpania

Niemiecki inżynier, profesor Jörg Schlaich, pracował nad projektem wieży słonecznej od końca lat 70. ubiegłego wieku. Z pomocą rządu niemieckiego w 1982 roku jego firma ukończyła budowę wieży słonecznej w Manzenares w Kastylii, 150 km na południe od Madrytu. Elektrownia miała komin o wysokości 195 metrów i średnicy 10 metrów. Kolektor zajmował powierzchnię około 5 hektarów, a średnica szklarni wynosiła 244 metry.

Moc elektryczna wieży słonecznej wynosiła 50 kW. Kompleks energetyczny działał przez osiem lat. Wieża zawaliła się z powodu braku odpowiedniego zabezpieczenia antykorozyjnego kabli odciągowych zainstalowanych w wieży. Możliwymi przyczynami jej awarii były wir powietrzny lub burza. Elektrownia nie była nastawiona na zysk komercyjny, stanowiła eksperyment, na którym profesor Jörg Schlaich zdobywał doświadczenie.

W słonecznej wieży wznoszącej znajdowała się stacja meteorologiczna oraz szklarnia, w której uprawiano rośliny. W 1989 r. elektrownia została zamknięta, a później rozebrana.

Wieża słoneczna - eksperyment domowy.

Aby zrozumieć cały proces wytwarzania energii przez Solarną Wieżę Ciśnień, można przeprowadzić w domu mały eksperyment. Zobaczmy, jak ciepło słoneczne jest przekształcane w energię elektryczną. Przygotujmy gruby papier, najlepiej taki, który jest czarny. Czarny (czarny szybciej się nagrzewa) Zwiń papier w kształt stożka, tak aby mniejszy otwór znajdował się na górze, a mniejszy na dole. Struktura papieru musi być stabilna. Następnie w dolnej części wytnij trzy otwory na wlot powietrza. Na szczycie konstrukcji zamontuj małe śmigło z dwoma łopatami obróconymi o 45 stopni w dół. Śmigło może być zamontowane na małej igle i modelinie. Eksperyment można przeprowadzić w małym pomieszczeniu, pamiętając o tym, aby okna i drzwi wewnątrz pomieszczenia były zamknięte. 

Do pomieszczenia nie może dostać się wiatr. Do przeprowadzenia eksperymentu będziemy potrzebować sztucznego światła. Możesz do tego celu wykorzystać małą lampkę, którą masz na stole lub biurku. Umieść lampkę w pobliżu papierowej konstrukcji, a następnie włącz ją, kierując światło na naszą wieżę słoneczną. Śmigło pod wpływem ciepłego powietrza będzie się obracać przez około godzinę.

Słoneczna wieża ciśnień

Dlaczego wieże i kominy solarne są czarne?

Filozofia jest prosta. Odpowiedź na to pytanie można znaleźć w fizyce i w codziennych sytuacjach życiowych. Filozofia jest prosta. Na przykład czarny samochód nagrzewa się bardziej na słońcu niż biały. A latem? Jeśli założysz białą koszulkę, będzie Ci chłodniej niż jeśli założysz czarną. Wniosek z tego jest taki, że czarne obiekty, które pochłaniają światło o różnych kolorach, nagrzewają się znacznie szybciej niż obiekty białe, które odbijają światło o dowolnym kolorze. Dlatego właśnie wieża słoneczna jest pomalowana na czarno, ponieważ szybciej pochłania promienie słoneczne.