Летающие солнечные панели для России
В моей ранней публикации (https://aftershock.news/?q=node/411087) я кратко перечислил технологии, которые считаю перспективными для России. Такие технологии должны использовать климатические условия России (холодный, континентальный климат и низкую плотность населения) для получения конкурентного преимущества перед партнёрами, у которых климат помягче. В этом случае повысится вероятность того, что эта технология обогатит именно Россию - а не переедет к партнёрам, чей мягкий климат приведёт к меньшим транспортным и прочим инфраструктурным издержкам при внедрении этой технологии. Такие технологии должны скомпенсировать, хотя бы локально и частично, предстоящее падение жизненного уровня вызванное уменьшающимися выработками и продажами нефти и газа.
Атомная энергетика может произвести большое количество тепла и электроэнергии, поэтому в России имеет смысл использовать её для больших городов. Однако продовольствие для прокормления горожан производится в пригородах, характерисуемых низкой освещённостью по сравнению с более удачливыми заграничными партнёрами. Невысокая урожайность ведёт к большим расстояниям на которые нужно перевозить продукты (из села в город), низкой плотности населения, низкому качеству дорог и другим, зачастую взаимосвязанным, проблемам. Несмотря на большое количество энергии, которое можно получить на атомных электростанциях, эту энергию часто будет невозможно поставить потребителям - например в поселения на 100-10 000 человек где-нибудь в Сибири. Поэтому перед Россией стоит задача развития технологий для энергоснабжения небольших поселений.
Первым пунктом в моей публикации идёт развитие солнечной энергетики. Серия прорывов в технологии изготовления солнечных панелей, вместе с эффектом масштабирования, привели к недавнему падению стоимости электроэнергии вырабатываемой такими панелями - падению настолько значительному, что стоимость солнечного электричества в некоторых местах оказалась даже ниже стоимость электроэнергии получаемой из традиционных источников. Особенно это касается мест где освещённость велика, а своё электричество дорого - таких как Гавайские острова, Калифорния, итд. По мере развития технологий, продолжающегося удешевления солнечного электричества и решения попутных проблем (удешевление установки солнечных панелей, аккумулирование электроэнергии, балансирование энергосистемы, развитие технологий потребляющих ээ в моменты пиковой выработки таких как зарядка электротранспорта), этот вид энергетики будет только распространяться.
Однако распространение этой технологии в России, скорее всего не будет экономически оправдано из-за неблагоприятного географического положения России, бОльшая часть территории которой находится в северных широтах, по сравнению с южными партнёрами. Это положение приводит к следующим последствиям:
1) Меньший средний угол освещения панелей;
2) БОльшая часть времени, когда солнце светит сзади панелей и они вообще не улавливают солнечный свет по сравнению с панелями, установленный на более низких широтах;
3) Повышенная облачность, ведущая к уменьшению КИУМ.
Разберём эти сюрпризы по пунктам.
- В первом приближении плотность потока солнечной энергии на единицу поверхности Земли пропорциональна косинусу широты. Южная точка России находится на 43-й широте (cos43°=0.73), Москва находится на 55-й (cos55°=0.57), Питер - на 60- й (cos60°=0.50). Для сравнения, Вашингтон – 39 (cos 39°=0.77); Лос Анжелес – 34 (cos 34°=0.83), Сицилия – 37 (cos 37°=0.80).
Таким образом, Россия обречена получать меньший поток солнечной энергии на единицу поверхности земли.
- Количество получаемой энергии для панели с фиксированным наклоном можно увеличить если поставить панель под углом, равным широте, на которой установлена панель. В этом случае, если расставить панели подальше (чтобы они друг друга не затеняли) и пренебречь поглощением/рассеянием света в атмосфере, то в моменты максимального подъёма солнца над горизонтом панели, находящиеся на экваторе (расположенные горизонтально), будут в среднем за сутки получать (2/p) • (поток солн. излучения).
Однако даже в этом случае нас поджидает сюрприз #2: такие же панели, установленные вертикально на полюсах, будут получать от солнца такой же поток - но только во время полярного дня. Если усреднить за год, то они получат в два раза меньший солнечный поток чем панели на экваторе: (1/p) • (поток солн. излучения).
Закреплённые панели, находящиеся на промежуточных широтах, будут получать промежуточную долю солнечного излучения - и чем выше широта, тем меньше эта доля.
- Поскольку существенная часть территории страны находится около 60-й широты, в страну поступает холодный (и довольно-таки сухой) воздух с Северного Полюса и Северного Ледовитого Океана. Этот северный ветер, превращающийся под действием силы Кориолиса в северо-восточный, дует на более освещённый и тёплый юг страны понизу. На юге он нагревается, испаряет немного воды, и затем, вытесняемый новыми потоками северо-восточного ветра, поднимается. Во время подъёма он охлаждается, и водяной пар конденсируется в виде облаков или осадков.
Этот климат резко контрастирует с климатом юго-запада США, в который входят Невада, Аризона, Юта и Нью-Мексико, и которые сейчас проходят через период бурного строительства солнечных ферм. Эти места сосредоточены около 30-й широты, где находится субтропический хребет. Там сухой воздух, поднявшийся с экватора и 60-й широты, спускается вниз, нагревается - и при этом относительная влажность понижается. Вдобавок, горная гряда Сиерра Невады отгораживает эти штаты от Тихого Океана - что уменьшает количество осадков ещё сильнее. Поэтому в тех штатах есть много мест с солнечными 300 днями в году.
Из-за описанных факторов солнечная ферма где-нибудь в середине Сибири даст по крайней мере в 3 раза меньше электричества чем аналогичная солнечная ферма в Неваде показанная на фотографии:
http://treealerts.org/region/north-america/2013/05/solar-farm-nevada-photo/
Поэтому, опять-таки при прочих равных, слепое копирование чужого опыта приведёт к проигрышу в конкуренции с южными партнёрами.
Я предлагаю развить в России другую технологию фотовольтаики, которая, ПМСМ, имеет шансы обеспечить бОльший возврат на вложения, в деньгах и киловатт-часах, чем в других странах, именно благодаря специфическим условиям России. А именно, я предлагаю устанавливать тонкоплёночные солнечные панели на плоских надувных подставках (похожих на надувные матрасы) и запускать их над облаками. Такие панели всё время будут развёрнуты к Солнцу тракерами (маломощными пропеллерами).
Это предложение основывается на недавнем прогрессе в развитии улавливания солнечной энергии перовскитами - соединениями типа CH3NH3PbI3. Подробнее о них и о солнечных батареях на их основе можно прочитать здесь:
Guiming Peng, Xueqing Xu, and Gang Xu. Hybrid Organic-Inorganic Perovskites Open a New Era for Low-Cost, High Efficiency Solar Cells. Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanomaterials Volume 2015, Article ID 241853, 10 pages http://dx.doi.org/10.1155/2015/241853
Вот как выглядят напечатанные панели:
http://mashable.com/2017/05/19/printed-solar-solution-australia.amp
Солнечные панели на мыльном пузыре:
http://news.mit.edu/2016/ultrathin-flexible-solar-cells-0226
Основные преимущества панелей на перовскитах перед кремниевыми панелями:
1) Дешевизна: перовскиты можно напылять или печатать на плёнки, что можно делать быстро, дёшево и непрерывно. Примеси в материалах почти не влияют на их фотоэлектрические свойства. Производство же кремниевых панелей требует высокочистых материалов, постадийных операций, вакуумных технологий и дорогого оборудования.
2) Небольшая толщина активного светопоглощающего слоя: в то время как толщина кремния в кремниевой батареее составляет ~ 6-10 мкм, толщина аналогичного слоя в перовскитовой батарее составляет только 200-300 нм. Низкая плотность активного слоя (в расчёте на площадь) ведёт к небольшим затратам на подъёмный газ (водород или гелий).
Основные недостатки панелей на перовскитах:
1) Низкая устойчивость к высоким температурам (а кремниевые панели часто нагреваются до +70°С под жарким солнцем у южных соседей);
2) Низкая устойчивость к влаге (медленно растворяются).
Поэтому такие панели до сих пор не нашли применения в солнечных и/или влажных местах. Однако именно холод российского климата, понижение температуры с высотой (панели будут летать) и уменьшенная влажность на большой высоте сделают эти устройства подходящими именно для России.
Конструкция панелей
Конструкция панелей показана на Рис. 1.
После изготовления панелей в их компьютер 6 будет введена информация о месте их работы (координатах заказчика). Затем они будут в выставлены на солнце. Верхняя часть 1, содержащая перовскиты, начнёт производить электроэнергию. Фосфорная кислота, находящаяся в генераторе водорода 4, впитает в себя воду из водяного пара находящегося в воздухе. В результате электролиза раствора воды в кислоте получится водород который и надует панель - пока она не поднимется в воздух. Затем основная часть солнечного электричества пойдёт на питание пропеллеров 2, которые начнут толкать панель к месту планируемого размещения (над заказчиком). Часть ээ пойдёт на зарядку аккумулятора 5, управляющего активностью панели ночью и в случае редкого появления облаков над панелью. Сам водород также можно использовать для хранения электричества, в дополнение к использованию его подъёмной силы.
Прилетев к заказчику, панель остановится над приёмником излучения и начнёт излучать энергию передатчиком 3 на наземный приёмник (Рис. 2).
Моделирование выработки электроэнергии летающими панелями с высотой как функции распределения освещённости и температуры (Для нелюбителей математики - пропустить)
Предположим что температура поверхности - 0C=273.15K (средняя температура по России). Температура в тропосфере уменьшается со сердним градиентом 6.5К/1000 м, что выражается формулой (1), где H - высота (м).
T=273.15-0.0065H (1)
Применяя формулу (2) и, используя табулированные значения давления водяного пара в Таблице 1, мы можем рассчитать коэффициенты А и В, так что давление Р (Па) будет выражено выражением (3).
P=exp(A-B/T) (2)
Таблица 1. Давление водяного пара.
|
T,K |
P, Pa |
|
273.15 |
610.5 |
|
255.15 |
125.2 |
P = exp(28.873 - 6134.5/T) = exp(28.873 - 6134.5/(273.15-0.0065H)) (3)
Предположив что водяной пар ведёт себя как идеальный газ, используем формулу (4) для вычисления зависимости концентрации водяного пара С (моль/м3) от высоты Н(м) (5). Множитель exp(-0.018*9.81*H/8.314T) добавлен для учёта гравитационного притяжения Земли:
PV=nRT (4)
C= exp(-0.018*9.81*H/8.314T) * n/V = exp(-0.018*9.81*H/8.314T) *P/RT =
= exp(-0.018*9.81*H/8.314T)*exp(28.873-6134.5/(273.15–0.0065H))/R(273.15–0.0065H) (5)
Для оценки количества водяного пара в атмосфере над высотой Н, концентрация водяного пара (5) была численно проинтегрирована с шагом в 50 м. После этого было сделано предположение о том что воздушные потоки постоянно двигались вверх или вниз, с 50% вероятностью. Когда воздух опускается, он нагревается и влага не конденсируется. Когда он поднимается, его температура снижается, и образуются тучи. В модели предполагалось что заслонение солнца пропорционально интегрированному количеству воды над уровнем Н. В случае образования туч считалось что уровень земли был полностью затемнён. Таким образом, в этой модели средняя освещённость на уровне земли в дневное время составляет 50%. Для сравнения, в Новосибирске насчитали 168 пасмурных дней в году: http://news.ngs.ru/more/2184462/. Освещённость увеличивается с высотой потому что с высотой будет уменьшаться количество воды, которая могла бы после конденсации образовать облака и заслонять солнце. Согласно этой модели, 100% освещённость может быть достигнута на бесконечной высоте. Однако, некоторые из результатов, приведенных в Таблице 2, показывают что существенное увеличение освещённости может быть достигнуто на высоте наже нескольких сотен метров.
Таблица 2.
|
Высота Н,м
|
Освещён-ность, % |
Темпера-турная эффектив-ность,% |
Освещённость Х Температурная эффективность, %
|
Изменение Освещённость Х Температурная эффектив-ность, %, на 50 м |
|
0 |
50 |
100 |
50 |
|
|
100 |
53 |
100.3 |
53 |
1.58 |
|
200 |
56 |
100.7 |
56 |
1.50 |
|
400 |
61 |
101.3 |
62 |
1.36 |
|
500 |
63 |
101.6 |
64 |
1.29 |
|
850 |
71 |
102.8 |
73 |
1.09 |
|
1000 |
73 |
103.3 |
76 |
1.01 |
|
1100 |
75 |
103.6 |
78 |
0.96 |
|
1500 |
81 |
104.9 |
85 |
0.79 |
|
2000 |
86 |
106.5 |
92 |
0.63 |
|
2500 |
90 |
108.1 |
97 |
0.50 |
|
3000 |
93 |
109.8 |
102 |
0.41 |
|
3650 |
95 |
111.9 |
106 |
0.32 |
Выработка электроэнергии с высотой увеличится не только из-за увеличения освещённости, но и благодаря увеличению эффективности преобразования энергии света в электричество, связанное с понижением температуры. Термическая эффективность панелей увеличивается на 0.5% с понижением температуры на 1 градус и может быть рассчитана по формуле (6).
Термическая эффективность панелей = (100+0.5(273.15-T))% (6)
Она показана в третьем столбике Таблицы 2.
Эта таблица показывает что произведение освещённости и температурной эффективности (4-й столбик) увеличивается с высотой. Так, на высоте 3 000 м панели будут вырабатывать приблизительно в два раза больше энергии чем на уровне земли.
С увеличением высоты производная эффективности панелей по высоте, пропорциональная величине из пятого столбика, уменьшается. Этот параметр будет использован в более детальном техноэкономическом анализе для расчёта оптимальной высоты летающей панели.
Предположим, что оптимальной высотой панели будет 3 000 м. Оценим размеры панели исходя из требования что летающая панель не должна полностью заслонять солнце на земле своей тенью. Если она находится на высоте 3 км и солнце находится в зените то её максимальный радиус будет равен
R< Радиус солнца*Высота панели/Расстояние до солнца =
= 695,700 км •3 км/150 000 000 км = 13.9 м (7)
Поскольку на территории России солнце никогда не бывает в зените, радиус в 13.9 м будет достаточно мал чтобы нигде не заслонять солнце полностью.
Максимальная электрическая мощность одиночной панели:
pR2*поток*эффективность ~ 3.1416*(13.914 м)2*1 кВ/м2 *0.2 = 121 кВ (8)
В настоящее время установка панелей на земле (или на крыше) стоит больше чем сами панели. В условиях России, где средняя плотность населения мала а дороги плохи, наземная установка панелей будет ещё дороже и/или потребует ещё больше усилий. Однако, если панели будут летать, то их упростит их установку: производитель панелей просто введёт координаты заказчика в компьютер панели и панель сама полетит к заказчику как дирижабль. Заказчику, впрочем, понадобятся приёмник радиоизлучения с соответствующей электроникой, перевозка и установка которых, впрочем, займёт гораздо меньше усилий чем проектирование и строительство наземной СЭС.
Вдобавок, если необходимо, солнечные панели могут быть легко перемещены в другое место; в дополнение к имеющимся панелям можно будет легко добавить новые панели. Вдобавок, если необходимо, солнечные панели могут быть легко перемещены в другое место; в дополнение к имеющимся панелям можно будет легко добавить новые панели. Избыток ээ выработанной днём можно хранить в самих панелях в виде водорода и передавать на землю ночью.
Структура панели, поверхностная плотность материалов, и затраты энергии на электролитический водород (Осторожно! Много цифр!)
На рисунке 3 показан разрез панели - "матраса". Тонкая плёнка первовскита нанесена на внутреннюю сторону полимерной поверхности - наверное, полиэтилентерефталата ПЕТЕ, из которого делают бутылки кока-колы.
На электролиз нужно тратить энергию. Рассчитаем, стОит ли овчинка выделки.
Плотность светопоглощающего материала солнечных панелей (в основном перовскита) - предположим, 5000 кг/м3. Толщина слоя - ~300 нм = 3∙10-7 м. Значит, поверхностная плотность солнечнопоглощающего слоя - 5000 кг/м3 ∙ 3∙10-7 м = 1.5∙10-3 кг/м2.
Толщина слоя алюминия, напылённого на противоположную поверхность для замедления диффузии водорода - ~200 нм = 2∙10-7 м. Плотность - 2700 кг/м3. Поверхностная плотность - 0.54∙10-3 кг/м2.
Суммарную толщину двух слоёв полимерной оболочки оценим в 1 мкм = 10-6м. Плотность ПЕТЕ - 1380 кг/м3. Поверхностная плотность - 1.38∙10-3 кг/м2.
Полная поверхностная плотность твёрдых материалов - [1.5 + 0.54 + 1.38] ∙10-3 кг/м2 = 3.42∙10-3 кг/м2.
Разность плотностей воздуха и водорода, создающая подъёмную силу - примерно 1 кг/м3. В реальности она будет зависеть от температуры и плотности - но пусть будет 1 кг/м3. Толщина слоя водорода, достаточная для поддержания "матраса" с солн батареей =
= (3.42∙10-3 кг/м2):( 1 кг/м3) = 3.42∙10-3 м ~3.5 мм.
Рассчитаем сколько времени уйдёт на надувку панели водородом, полученным в результате электролиза, использующим электричество самой панели. Панель площадью 1м2 будет вмещать 3.42∙10-3 м3 водорода, т.е. ~(3.42л)/ (22.4 л/моль) ~ 0.15 моль Н2. Энергия на выделения 1 моля водорода из воды - 285 кДж/моль. То есть, нужно будет затратить 0.15 моль ∙ 285 кДж/моль = 42.75 кДж.
Панель будет освещаться потоком в ~1 кВ/м2. Предположим что КПД = 20% (типичный для солн панелей) и КИУМ = 40% (повторяю, поднятие панелей над облаками резко увеличивает КИУМ). Значит, в среднем панель будет давать 0.08 кВ/м2. На то чтобы накопить 0.15 моля водорода, уйдёт 42.75 кДж/0.08 кВ = 534 с ~ 10 минут.
Но КПД электролиза может оказаться невелик, в системе будут и другие потери - так что возьмём и примем что на электролитическое наполнение солн панели, нужное для того чтобы воспарить к небесам, уйдёт ~1 час.
Предположим что заполнять панели водородом нужно будет раз в неделю; в остальное время он будет диффундировать из оборудования сам или будет сдут (например, когда панели будут спускать в случае угрозы сильного ветра). Это значит что на надувку водородом будет уходить 100%*(1/(24*7)) = 0.6% энергии панели.
Другие факторы
Снос ветром/эвакуация при ураганах
К "счастью" России, у которой бОльшая часть южных границ отгорожена от тёплого Индийского океана горами, циркуляция воздуха на большей части территории сравнительно слаба и ветры несильны. Тем не менее, парящим панелям придётся тратить часть своей энергии на изменение высоты (выбирая высоту с минимальным ветром) и на противодействие ветру своими пропеллерами. В редких случаях при приближении шторма (на высоту 3 км) панель должна будет заблаговременно отлететь на ~100 км и затем вернуться к заказчику. Работа пропеллеров и перемещения увеличат собственное потребление ээ панелью и уменьшит количество ээ поставляемой заказчику по сравнению с поставкой ээ в ясную безветренную погоду.
Однако, те же самые факторы (осадки, сильный ветер) не только снизят выработку ээ наземной СЭС, но могут полностью разрушить её или сдуть. В данный момент у меня нет достаточного количества данных для сравнения потерь ээ летающей панели по сравнению с наземной СЭС, поэтому будем считать что непогода не влияет на отношение выработки ээ (отношение ээ панели/ээ СЭС = 1).
Затенение
Ещё один фактор заключается во взаимном затенении панелей, снижающем выработку электроэнергии на солнечных фермах, использующих стационарные кремниевые панели. Низкая плотность населения России (особенно в Сибири) сделает эффективным размещение немногих больших одиночных панелей, которые не будут затенять друг друга, давая дополнительное преимущество в выработке электроэнергии в расчёте на квадратный метр и вложеный капитал.
Затенение даже небольшого участка панели может привести к значительному снижению выработки ээ: 3% затенения уменьшают мощность на 25%, 9% - на 54% (http://www.renewableenergyworld.com/articles/2009/02/shade-happens-54551...). Поэтому выработка ээ вторым и последующими рядами панелей окажется гораздо ниже чем первым рядом. Электрическую цепь панели може поменять так чтобы небольшое затенение уменьшало выработку ээ на небольшую величину - но в результате изменений в контуре освещённая часть панели резко снизит свою эффективность. Это снижение эффективности я оцениваю в 40% - так что полностью освещённая летающая панель будет вырабатывать в среднем в 100%/(100%-40%)=1.67 раз больше электричества.
Эффективность передачи энергии микроволновым излучением
Эту эффективность я оцениваю в 0.54 (Microwaves, https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer).
Запыление
Пыль у южных партнёров: http://www.crystalinks.com/DustStorm.html
Влияние пыли на выработку ээ было изучено:
http://www.solar-skin.eu/files/Impact-of-Dust-on-Solar-Photovoltaic--PV-...
За 38 дней в солнечном Кувейте выработка ээ горизонтальными панелями уменьшилась на 64%, панелями с наклоном 60 градусов - на 17%.
Будем считать что отсутствие пыли и затрат на её вытирание увеличит выработку ээ в 1.5 раз.
Итоги
Описанные факторы и их влияние на выработку электроэнергии летающей перовскитовой панели, в сравнении со стационарной кремниевой панелью, встроенной в СЭС, кратко приведены в Таблице 3.
Таблица 3. Сравнение поставки электроэнергии летающей панелью в России с панелью входящей в условную наземную СЭС в южных краях.
|
Фактор |
Преимущество летающей панели |
|
Слежение за Солнцем |
*1.57 |
|
Облачность, Tемпература |
*2 |
|
Затенение |
*1.67 |
|
Электролитический водород |
*0.994 |
|
Снос ветром/эвакуация при ураганах |
*1 |
|
Эффективность передачи |
*0.54 |
|
Пыль |
*1.5 |
|
Всего |
1.57*2*1.67*0.994 *1*0.54*1.5= 4.2 |
Все эти факторы позволяют надеяться что преимущества летающих панелей окажутся гораздо существеннее недотатков и затрат, связанных с механизмами слежения за Солнцем и поднятия панелей. И если такие панели действительно будут вырабатывать больше электричества и это электричество будет дешевле чем выработанное из других источников на единицу вложений, то его использование сможет обеспечить рентабельность и конкурентноспособность процессов, в которых Россия в данный момент проигрывает зарубежью по причине невыгодных климатических условий.
Любопытно, но насколько достоверны цифры? Проводился ли эксперимент, подтверждающий их на практике?
Комментарии
Хммм...
Стирлинги работающие на разности температур поверхности и грунта или грунтовых вод прекрасно дадут что надо без высокотехнологичного геморроя и намного дешевле.
а есть ли практический опыт применения стирлингов КРОМЕ устройства безделушек?
да, вопрос мой одновременно и ехидный с подковыркой, и с целью познания.
на ютубе стирлингов я видел сотни. но практической пользы пока не единого ролика не было представлено.
Не те ролики смотрите, наверное.
От солнечных концентраторов навалом стирлингов производится и продается, шведские подлодки на них же плавают. В Германии давно водяные насосы систем отопления от стирлингов работают. Тепловые насосы на них используются, холодильники.
Сименс в Африку неграм поставляет для лектричества :).
Странная статья: озвучивается проблема - обеспечить малые поселения 100-10000 человек "где-нибудь в Сибири".
Столбов от АЭС/ГРЭС установить нельзя по т/у. Наверняка такие задачи есть, но в общем объеме задач электрификации их вероятно не очень много. Откуда где-то вдруг появится 10000 жителей, где света нет?
Далее приводится очень не простое решение предложенной проблемы с использованием не очень экспериментальных данных. Как и аргументация, там у них на Гаваях и Калифорнии "цена стала ниже", без оценки всех влияющих факторов.
как бы для научности много предположений и сомнительных утверждений, а для фантастики много расчётов. Да ещё и флаг овечий у автора.
сдается, что столбы будут дешевле и надежнее даже стирлингов.
Есть что-то надежнее стирлингов ? :)
Подумал было про фунт стерлингов, но старушка уже не та.
А Если в контексте обсуждаемого вопроса, то система из АЭС и ЛЭП будет надежнее нескольких тысяч маломощных генераторов, тип генератора уже не столь важен, при прочих равных конечно.
Настоящую надежность дают именно автономные источники энергии, неподвластные чубайсам.
Например в Германии отопление именно от автономных небольших котельных отлично себя оправдывает.
Русского мужика с его русской печкой, да еще и стирлингом к ней, никакой чубайс не возьмет.
Я прощу прощения, а мощность излучения энергии вниз - 121Кв * 0.54=65кВ получается? В случае утери фокуса (каков кстати радиус приёмной антенны на земле?) будет работать как микроволновка? Кстати 0.54 мне кажется уж очень оптимистично с учётом наличие облачного слоя между передатчиком и приёмником, разве облако не будет действовать как экран?
Уважаемый xtotec:
Спасибо за интерес к статье. Рад что хоть кто-то осилил.
В ссылочке (https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer, гл. Microwaves) описано как с этим бороться: для пущей надёжности можно увеличить приёмную антенну и уменьшитьпоток излучения на земле. В данный момент я не знаю, достаточно ли надёжна система контроля чтобы передавать излучение узким пучком - или же нужно будет увеличивать антенну. Насколько большой должна быть антенна - тоже не знаю. Надеюсь что когда дойдёт до реализации, то и эту проблему оптимизируют.
Что касается поглощения и рассеяния, то размеры капелек значительно меньше 10 см, так что атмосфера прозрачна в интервале 10 см- 1 м. Можно использовать 1 см - если града нет. Но сильнее уменьшать длину волны уже слишком опасно из-за поглощения/рассеяния.
Вообще есть возможность излучать узким лучом, с малым расхождением, а так-же корректировать направление на приёмник, используя лазеры.
Хотя сама идея такого получения энергии и неплохая, есть и более эффективные системы с высоким КПД преобразования солнечного излучения, на основе мета-материалов, которые тепловое излучение так-же утилизируют, переизлучая оное в микроволновом диапазоне - получите эффективный преобразователь тепла(не нужна разница температур!) в электричество.
Перовскиты - это хорошо. Да только у них пока ещё есть и фотодеградация, да и для существенного замедления реакции с водой или температурной деградации, нужны совершенно иные уровни влажности и температуры - влага желательно в ppm, а температура желательно в единицах-первых десятках кельвинов. Радикальной разницы тут севера не дают. Ну, получше, да. Но разница не настолько существенна - десятки процентов.
Если брать то, что есть сейчас, то оно неприменимо хоть на югах, хоть на северах на высоте.
Если брать перспективные обещалки, то обещают как раз довести до ума и десятков лет жизни в любых условиях.
...
А если без перовскитов, то что остаётся от идеи? Тонкоплёночная СБ на дирижабле? Почему не CdTe (он тоже прямозонный, и технология хорошо отработана)? почему не CIGS? Потому что экономика не вырисовывается? Ну так а почему с перовскитами будет?
В сантиметровом диапазоне.. хмм.. а вы не задумывались, почему микроволновки на 2,4Ггц( ~12 см ) работают ?
Это - резонансная частота поглощения молекулами воды и капли - не капли тут не при чём. ( перспектива греть водяные пары и взвесь аки большая микроволновка ).
Их много и они в сантиметровом диапазоне. При < 1см - уже и резонансная частота кислорода начинается.
Кое-что, всё-таки, не даёт покоя:
1. В массе( которую нужно поднять ), почему-то, не учитываются ни масса оборудования( преобразователи/аккумы/электролизёр/итд ), ни, даже, масса двигателей.
Для передачи многих-многих киловатт в СВЧ, нужно далеко не самое лёгкое и дешёвое оборудование и хорошо, если обойдётся без активного охлаждения( жидкостного, либо - мощными вентиляторами ).
Открываю вторую ссылку из поисковика и вижу фразу: "В диапазоне 10 см длины волны магнетрон обладает КПД 30%".
-И ведь речь только лишь об излучении только лишь магнетрона( но его надо преобразовать, подключить к нему кучу тяжёлого оборудования и подвести, минимум, пару напряжений ), а что будет, если ещё и потери при передаче и на принимающей стороне посчитать ?
Засим, как, чем и во сколько выйдет принимать этот сигнал на земле - история, так же, умалчивает.
2. Что делать с огромным и лёгким парусом ака летающий блин ака летающая солнечная батарея ?
Как вообще можно удержать громадный оч лёгкий "парус" при, сколь-нибудь норм точности и отсутствии тряски, особенно, на такой высоте( где нет ни деревьев, ни домов и ветер, соотв., д.б ощутимо сильней и менее предсказуемым ) ? -Это ж сколько двигателей и энергии нужно( к слову о том, что ветер дует и ночью )..
Такими темпами, может оказаться, что проще взять огромный шар, прицепить на трос, а на шар - поставить ветряк:)
А теперь самая соль - что произойдёт, если водород.. того.. взорвётся? -Т.к случаи взрыва и гораздо бОльших объектов с водородом имели место быть.
-Это к слову об оч нехилых затратах ввиду потери оборудования..
Ну, это так, "на первый взгляд". Что касается передачи энергии посредством РЧ, этой темой оч интересовались в 20-м веке и тогда же "разынтересовались" ввиду сложностей и потерь как на передачу, так и на излучение/приём
а разве вода, будучи помещенной в область микроволнового излучения, не получает энергию достаточную для изпарения? намекаю - облако попавшее в луч - будет изпарено. только и всего. ну или прожжет в нем дырку.
А пары воды в воздухе? Частично поглощение, а частично рассеяние... потери будут - надо диапазон 1-3 мм.
Вот как интересно! Люблю такие статьи. А мне как раз вчера вечером (!) вдруг пришла в голову идея про летающие ветряки (чего мне только в голову не приходит!)
Пару лет назад читала про изобретение легкого и сверхпрочного материала. Одно из возможных применений, упоминавшихся в статье - заменить полеты в космос просто лифтом на канте из такого сверхпрочного материала - будет гораздо дешевле. Я такие приколы не забываю. Вот я и подумала - ведь наверху всегда ветер, ветряки (например, в форме цилиндров, спаренные и вращающиеся в противоположные стороны - для устойчивости) тоже можно пропеллерами для подъемной тяги снабдить. Понятия не имею, насколько реальна такая идея - просто вскочило в голову - и все, захотелсь поделиться.
Такие приколы еще лет 30 назад в журнале "техника молодежи" были.
Я этот журнал не читала, да и такого сверхпрочного материала тогда не было. Но я обычно подозреваю, что если что-то пришло мне в голову, то не только мне. К тому же идея без проработки - ничто. Меня кормят мои маленькие идеи, которые я осуществляю сама.
А если че-нить такое установить, то вполне норм вложения
Спасибо! Очень приятное впечатление оставляют такие солнечные прожекты и те увлечённые наивные мечтатели, кто грезит добрыми побуждениями относительно всего человечества или , особенно, России ))).
Приятно, что присутствуют цифры про моли, джоули, плотности и проч.
Видя столь забавное и красивое насекомое, рука с тапочком не поднимается... Так палочка подразнить...
Расчитанная толщина слоя водорода для "матраса" радиусом в 14м при применении указанных материалов с указанной плотностью подразумевает ли что в термин "матрас" входят не только оболочка, плёнки, но и электродвигатели, передатчик, генератор, аккумулятор, компьютер, определитель координат и сети, и полагаю ещё и система позиционирования антенны передатчика (что бы изменение оптимального угла наклона панелей восход-зенит-закат не приводила к тому, что на земле с народ с приемниками пробегал сотни километров ловя пятна излучения), система аэродинамической балансировки при изменении угла наклона, система управления подъемом-спуском (приводы с тросами или эл.магн. клапана..)
Я-то чел простой, просто считаю 3,5мм * пи*13,9м *13,9м = 3,7куб.м водорода на "матрац" и соответственно вес конструкции радиусом 13,9м не должен превышать 3,7кг. Т.е. конструкция высотой и шириной в 4-5 этажный дом и толщиной 3,5мм должна быть не более 3,7кг. Или я что-то не понял?
При подобном размере (площади поверхности 607кв.м!) и таком весе. Проблема обледенения конструкции в наших широтах как-то учитывается? Панели полагаю, тёёёмненькие и тёёёёпленькие, а воздух на 3-х км, полагаю градусов на 15-20 ниже чем на уровне земли и градусов на 50 ниже температуры плёнки. При наклоне блюдца, на нижней стороне неизменно будет образовываться борода..
Не проще ли, на земле установить панель с системой позиционирования за солнцем.
Ну или запустить летающее легкое зеркало - концентратор с мегаплощадью для сбора и переизлучения солнечного зайчика на панель на земле.
Или просто атмосферную лёгкую линзу мега площади с фокусным расстоянием в 3 км для концентрации на определённом участке земли энергии солнца и уже там снимать панелями.
Конечно, это не обойдёт ваш проект по преимуществам, зато лишит некоторых недостатков, с моей точки зрения, неустранимых.
На всяк случ. По памяти... Расположение - Питер. На 1кв.метр в год величина солнечного потока в системах горизонтального расположения - 900квт*час, в системах расположения под оптимальным неизменяемым углом - 1 100 квт*час, в системах расположения со слежением за оптимальным углом - 1 500 квт*час. Это средние реальные измеренные данные. Помножить на КПД панелей и получим сколько максимально сможем насосать от солнца (НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ!, а только получить).
Не критикую... так, бурчу... Спасибо за утренний позитив. Обязательно продолжайте генерить! Это здорово! )))
Это ещё не самая забористая идея.
Поддерживаю.
Еще я не понял из расчетов куда делась вторая сторона шара ( водород нужно с обеих сторон огораживать ).
+ для меня осталось непонятно какой мощности планируется ставить двигатели на установку - ведь на большой высоте скорости ветра так же сильно выше чем на поверхности.
Беглый поиск по интерактивным картам ветров показал что скорости 60-100 км/ч на высотах 3500 м вполне реальны - т.е. чтобы ветер не сносил такую установку она должна иметь возможность летать на скоростях более 100 км/ч - мне кажется это уже не маломощный двигатель и не маленький вес.
Парусность конструкции огромна. Требуемая мощность противостоять ветрам в 20-30м/с считается элементарно (прикинуть вообще можно в уме). Хороший, добрый проект. Достаточно того, что нереальность массогабаритов бросается в глаза. Не бесформеный кусок пластика с газом, а сохраняющая форму конструкция, нашпигованая аппаратурой и энергетическими преобразователями, моторами и аккумуляторами, т.ск. летающий огород в 7 соток. И при этом общим весом в 3,7 кг, с моей колокольни, очевидный абсурд. Дальше можно и не рассуждать. Потому как это будет фантастика. Пусть и научная..
Цифоы не читал. Но что то сомневаюсь в эффективности. Рабочую модель сделать смогли? Вроде затраты на это не должны быть велики.
Я не считаю себя "икспердом" :-) в области фотовольтаики, я по первому образованию больше материаловед - хотя мой кандидатский диссер и был посвящен фотоэлектрическим свойствам алмазоподобных углеродных пленок.
Но все же, осторожно - автор, по моему, не учел еще такого фактора, как деградация панелей (ухудшение со временем их фотоэлектрических свойств), на большой высоте этот фактор неизбежно увеличится за счет УФ.
А по сути, нефиг зубоскалить. Минимальный просчет проекта корректно произведен, и тут требуется заключение реальных экспертов.
Дико извиняюсь, но имхо это путь "китайских комсомольцев" - героическое преодоление самими же созданных трудностей. Попытка устранения следствий вместо работы с причинами. Основная причина - малая плотность населения и плохой климат. Так зачем же тогда радеть об обеспеченности множества "хуторов"? Из-за красивой пасторальной картинки? В чём их преимущество? Вместо этого лучше работать над концентрацией плотности населения в лучших климатических зонах России. А вместо солнечных прожектов разрабатывать надёжные компактные ядерные энергоустановки 1-50 мегаваттного уровня. Чтобы в любое место тайги максимум на нескольких самолётах-вертолётах закинул, вокруг модульных секционных домов накидал, вездеходов на водороде (от электролиза на ЯУ) для передвижения по округе - и работай вахтами по месяцу. Поработал - ротация в тёплые края. Где за счёт высокой плотности населения оправдана и позволительна хорошая инфраструктура.
> надёжные компактные ядерные энергоустановки
"за все хорошее против всего плохого". Извините, но аргументация уровня "закинул, накидал и работай" для ядерных станций, даже компактных - не годится. Вы забыли, хотя бы, про террористическую опасность.
IMHO, во всем нужна разумность, и не надо кидаться в крайности - это касается как преклонения перед "зеленой энергетикой", так перед и ядерной. Простая аналогия: у меня в наручных часах стоит солнечная батарея, этого хватает для данного применения, и атомная батарейка мне не нужна.
Видите ли, организовывать посёлок в девственной тайге за ради просто посмотреть время - смысла нет. Такие вахтовки оправданы для добычи/разработки ништяков, и солнечными панельками тут не отделаешься. Вся эта "зелёнка" способна обеспечить только примитивные бытовые нужды, ни о каком производстве на всех этих "энергонезависмых хуторах" речи идти не может. И возникает вопрос - а нахрена тогда эти хуторочки нужны, если они максимум себе только свет и тепло способны обеспечивать, полезного выхлопа с них нет, но ресурсы на них тратить придётся - дорогу к себе требовать будут, шельмы, продукты, панельки летающие опять же не бесплатные. В чём профит от этих хуторов будет для общества?
Хм... Насколько я понимаю, прокладка дороги к таким хуторам и их энергообеспечение - головная боль владельца, а не государства :-)
Профита обществу от хутора - зависит от того, чем занимается владелец: картошку на ста гектарах выращивает или водку пьет. Но к вопросу ядерной станции это отношения не имеет. Вахтовым же поселкам достаточно дизеля и (иногда) ветрогенератора.
В девственной тайге для целей энергетики достаточно будет дров (биомассы).Существуют мобильные ТЭЦ на биомассе.
И есть большая разница - скинет ли летчик, которому изменила жена, на город мобильную ТЭЦ или дизель. Или "компактную надежную атомную станцию".
а тут - тут затрагивается человеческий фактор. надо продумывать комплекс мер по недопущению лиц потенциально нестабильных по психике.
как в советское время на режимные области хозяйства тебя сперва проверяли "по родственикам" всмысле по линии КГБ-МВД - насколько тебе вообще доверять можно, не сидел ли кто у тебя, не отличился ли кто у тебя чем-то нехорошим. можно ли тебе вообще доверить ответственное дело как штурвал самолета, не сорвешься ли ты с катушек в одночасье.
хотя того предателя который самолет угнал в Японию, увы не уследили. но такие мрази были считанные.
Мы уже окончательно удаляемся от темы обсуждения. Я привел это соображение, как пример "компактных, надежных и недорогих" ядерных станций - тут одни антитеррористические меры в копеечку встанут. Потому, что с каждой станцией надо будет кормить взвод лбов-спецназовцев :-)
Уважаемый orefkov:
Спасибо за конструктивный подход.
"нахрена тогда эти хуторочки нужны, если они максимум себе только свет и тепло способны обеспечивать, полезного выхлопа с них нет, но ресурсы на них тратить придётся - дорогу к себе требовать будут, шельмы, продукты, панельки летающие опять же не бесплатные. В чём профит от этих хуторов будет для общества?"
В своей первоначальной публикации (https://aftershock.news/?q=node/411087) я кратко перечислил технологии, которые считаю перспективными для России. Так, по моему представлению, леса Сибири будут использоваться не для отопления а как восстановимый источник полимеров, еды и стройматериалов. Правда, перерабатываться древесина будет не так как сейчас. Этими проблемами я занимаюсь профессионально - и собственные результаты меня вполне радуют. В случае дальнейшего развития технологий небольшие поселения в Сибири смогут и себя прокормить и произвести избыток материалов/еды из древесины на продажу. Для добычи такой вот древесины и организации соответствующих производств и подойдут поселения на 100-1000 человек. И лучшим способом их энергообеспечения будут такие вот панели.
Если вместо ядерных реакторов использовать ядерные батарейки с альфа и бета-распадом (чистые электроны или ионы) то ни какой террористической опасности не будет. Прототипы ядерных батареек уже есть, мощьность хреновая. Но, есть еще вариант не чистого распада самого элемента, как в батарейках, а так сказать посивного сжигания ядерного топлива.
Надо найти такие изотопы элементов которые при облучении напримерй нейтронами или альфа-частицами давали на выходе деление в стабильный изотоп (не излучающий сам и не излучающий при облучении) и или несколько электронов или несколько альфа-частиц.
Тогда получим и мощьный и безопасный источник энергии.
Я с уважением отношусь к собеседникам. Но слегка поёрничав: для того чтобы получить "мощьную" ядерную батарейку с "посивным" сжиганием ядерного топлива, ее надо зарядить искусственно полученным изотопом. Я думаю, экономически обоснованнее будет печатать уголь на 3D-принтере :-)
"Надо найти такие изотопы элементов, которые .. давали бы стабильный изотопы". Зачем размениваться на мелочи - лучше сразу научиться добывать скрытую энергию вакуума.
Почему ерничание? :) Вполне правильное замечание. Я его не озвучивал в тесте просто потому что думал что это и так понятно :)
Конечно, такие изотопы придется делать на ядерных заводах, у нас уже есть одно направление такого плана - реакторы серии БН. Где из 238го урана получаем 239й плутоний который уже топливо. Точно так-же рядом с ядерными станциями надо будет делать генерацию изотопов для батареек. Рядом с АЭС энергии в избытке, они уже отработаны для постройки, замкнутый БН цикл даст большое кол. топлива для генерации энергии. Ядерная реакция в батарейном варианте
Естественно все это только если будет возможно найти такие ядерные реакции и при этом они не будут давать в итоге радиоактивные изотопы. Я не говорю что такие реакции есть, но как минимум можно их поискать (изотопов из стабильных элементов несколько дохрена, может что-то и найдется).
Действительно. Надо сказать ядерным физикам - а то они не не знают и фигней какой-то в своих институтах занимаются :-D
Дело в том что сами ядерщики таким не займутся никогда
теорию может и построят, но конечный результат сможет сделать только государство
причина банальна, исследования и эксперименты на данную тематику будут стоить охулиарды денег с неясной перспективой конечного продукта, так что всем кто прям болеет за прогресс запасайтесь временем в ближайжей перспективе такого не просматривается вообще
Совершенно верно! Т.е. мало того что возможно эти изотопы еще не известны или не проверены их свойства (теория не всегда дает гарантированное прогнозирование поведения изотопа) так еще есть именно промышленные проблемы, начиная от получения и очистки изотопа и заканчивая готовым изделием.
Но, других, пока, вариантов для компактного хранения энергии я не вижу, ну, может кроме послойной печати ураном-235 и графитом на 3Д принтере :) что бы этот бутерброд работал как реактор не требуя управления и даже если его украдут, то даже грязную бомбу смысла делать не было. Все остальные способы - жалкие попытки приблизиться хотя бы к обычному литру бензина. Может в будущем и будет что-то на новых физ. принципах, а пока - ядерный распад это то, что уже известно и куда можно копать.
Серно натривый аккум, теоретическая плотность 1700 Вт на кило. Почти как бенз.
Достаточно специфические области применения
Гораздо проще их до ума довести, нежели изобретать велосипед
Уважаемый orefkov:
Второй параграф моей публикации - именно о ядерных установках.
Строить десять тысяч 10-мегаваттных реакторов как-то боязно.
Нельзя ничего такого запускать. Если приобретет массовый характер- летающие панели тем более с пропеллерами буду мешать радиолокационному обзору. 99% что не разрешат.
напротив - их самих можно будет изпользовать в радиолокации. как излучатель. а получатель - пассивная станция на земле. и станцию на земле саму будет не запеленговать.
тассзать "недуг ваш позорный мы в подвиг определим!"(с)
Вот ЕСЛИ такое сделаете то может и заинтересует кого-нибудь компетентного, а пока это лишь безосновательные фантазии. Никаких массовых "летунов" никто не разрешит.
с точки зрения сопромата - ненаучная фантастика. Конструкция требуемой жёсткости даже без учета оборудования будет весить около десяти тонн. Хоть из пластика ее делай, хоть из титана с люменем.
Если бы это было не так, давно бы кровли "надувные" на дома делали.
Господа:
Благодарю всех читателей моей публикации, которые ясно сформулировали проблемы технологии, которую я описал. Конечно же, о сложности задачи я знал и раньше и понимал что судьба предложенной технологии будет сильно зависеть от компетентности людей в таких областях, в которых у меня самого познаний явно не хватает. Некоторые из задач мне самому казались практически неразрешимыми. Например, задача оптимизации движения панели при ветре. Развернуться боком к ветру? Поменять высоту - туда где ветра меньше? Улететь с ветром а потом чапать назад? как вывести формулу оптимизации её поведения? Сколько будет весить оборудование которое её будет перемещать по вертикали/толкать/излучать? А это как оптимизировать? - и так далее.
Но. Некоторые читатели настолько лаконично сформулировали задачи, что я понял что некоторые оценки я могу сделать сам пользуясьтолько ручкой и бумагой. А там идею или однозначно задвинуть в загажник с чётким обоснованием, почему она никак работать не сможет - или продолжить над ней думать в свободное время которого у меня, как все поняли по обилию моих публикаций на ресурсе, немного.
Особые благодарности: xtotec, Rashad_rus, Simurg, mastersam11, cgi, Andrey.ron, spear, orefkov, Ёлка-ёлка.
1. По идее линейно должно уменьшаться, т.е. для ряда 39, 37, 34 должно быть соответствие 0,77; 0,80; 0,83. Ан нет....
2. В "сюрпризах по пунктам" три пункта №1
3. А что будет если излучатель не на приемник излучит, а на спящего в гамаке владельца дерижбобеля?
4. А если его ветром унесёт к ближайшему аэродрому и он маневрируя чтобы вернуться аккуратненько завалит какой-нибудь аэрбас ценой своего суицида?
5. Ну и по конструкции. Если в матрасе не будет элементов жесткости, навесить на него столько оборудования (один аккум скоко весит) без потери формы не получится. А если они будут, это приведет к значительному увеличению веса всей конструкции, что потянет за собой большее количество необходимого водорода, больший расход ээ на маневрирование и снизит эффективность всей затеи.