牛人自制高強度桿件欲實現(xiàn)高空光伏發(fā)電

考慮到使用的安全按制作鋼絲繩鋼材抗拉強度的50％設計的桿件在不考慮管內高壓流體重量及外力影響并且下部基礎穩(wěn)定的前提下可獨自直立5500米的高度，此桿件在1000米的高度時可承受30.6噸的重量載荷；以1500KW風力發(fā)電機組總重為91噸計約需要3根本文舉例的鋼管即可將其安裝在1000米的高空運行。此時發(fā)電機塔架的鋼材消耗量為20.4噸相當于目前同樣風力發(fā)電機組安裝在62米高時塔架的鋼材消耗量1/4以下?！　?/p>

按制作鋼絲繩鋼材最大抗拉強度70％設計的桿件在不考慮管內高壓流體重量及外力影響并且下部基礎穩(wěn)定的前提下將總重為91噸的1500KW風力發(fā)電機組安裝在5000米高度時按本設計將使用5根5000米的φ60×5mm、材質為制作鋼絲繩鋼材的無縫鋼管，消耗鋼材約為170噸。而此時發(fā)電機塔架的鋼材消耗量仍低于目前90米高度同類型風力發(fā)電機組的塔架鋼材消耗量（174噸）?！　?/p>

根據目前掌握的風力資源信息在地面大約80米的高空風速達到每秒5米時，在800米的高空，風速將上升到每秒7米，風能為80米高度2.7倍，同時相同地點隨著高度的升高風能的能量密度將會更大。而本文的技術幾乎可以將地球上5000米高空以下有價值的風能全部得以利用，全球可開發(fā)利用的風能總量可以擴大到目前科技水平認可的100倍以上；因此地球上可開發(fā)利用的風能資源將遠遠大于目前人類的全部能源需求。如果本技術得以實現(xiàn)將有可能徹底解決人類的能源危機問題?！?span style="text-indent: 2em; ">由于高空風能的密度相對較大且更為穩(wěn)定因此安裝在高空的風力發(fā)電機組的平均單位時間發(fā)電量將會更多且年發(fā)電時間更長，按本設計安裝的高空發(fā)電機組的投資與目前同類機組相當，因此高空風能發(fā)電成本將會低于目前使用的100米以下高度塔架風力發(fā)電機組的發(fā)電成本?！　?/span>

有人設計了高度為1000米的太陽能搜集塔，其設計的主要結構為一個高度為1000米、直徑為130米的煙囪，下部周圍覆蓋直徑7000米的溫室遮篷。在陽光充足的前提下，太陽能搜集塔頂部空氣溫度為20℃時，在地面溫室遮篷內的空氣可達到70℃（空氣體積增加量為17％），此時熱空氣將以約55公里/小時速度沿著太陽能搜集塔上升，安裝在塔內的32個旋轉的渦輪將生產出最大20萬千瓦電能。盡管在這種工作狀態(tài)下，太陽能塔轉換為電能的效率僅不足太陽能電池板的十分之一（即熱效率小于1.4％）。但是太陽能塔的優(yōu)勢是更易維持，成本更低。實際上此設計的難點是1000米或更高太陽能塔的制作成本太大，依據2005年產業(yè)報告，具有20萬千瓦電能生產能力的太陽能塔的建造需要10億美元，這意味著每千瓦小時的成本為20美分。

采用本文的技術制作太陽能塔只要將比重低抗拉強度較大的柔性材料制作成內、外壁相連且互通外壁為雙層的圓形煙囪結構。使用時依靠數根1000米高度以上本文設計的獨立鋼管的輔助在太陽能塔內、外壁之間夾層充滿空氣太陽能塔即可達到1000米或更高的設計高度，根據天氣預報當外界環(huán)境惡劣時將太陽能塔夾層的空氣排出即可保證太陽能塔的安全。而將太陽能塔的材料直接懸掛在數根獨立的1000米以上高度的鋼管上制作太陽能塔的設計也是同樣可行的。如果采用13607根按本文設計的φ30×2mm普通16Mn鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為1000米直徑為130米的太陽能塔的建造僅需要約0.5億美元。　　

如果采用13607根按本文設計形式的φ30×2mm、制作鋼絲繩鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為5500米、直徑為130米的太陽能塔。將使用約203500噸鋼管，按每噸無縫鋼管15000元人民幣計太陽能塔的制作的最大成本為30.5億元人民幣，約為4.8億美元。直徑7公里的溫室遮篷的成本按80元人民幣/平方米考慮約需要34.3億元人民幣。按每上升1千米空氣溫度下降6.5℃計算此時5500米高空的溫度為零下15℃， 此時太陽能塔上下溫差為85℃。為原設計的1.7倍，太陽能塔高度為原設計的5.5倍，考慮到5500米高空的空氣密度約為地面的一半實際渦輪出口的壓力差達到原設計的7倍，此時渦輪入口風速將達到105公里/小時，系統(tǒng)滿負荷發(fā)電能力為原設計的7倍達到140萬千瓦。　　發(fā)電設備按1500元人民幣/千瓦計。合計設備投資6140元人民幣/千瓦相當于火力發(fā)電廠的設備投資，遠低于國家規(guī)定的同樣為利用太陽能發(fā)電的光伏電發(fā)電設備補助每千瓦20000元人民幣的標準?！　?/span>

由于地面與5500米高空有35℃的溫差不采用溫室遮棚加熱時太陽塔內渦輪前后將產生350公斤/平方米的壓力差，每立方米空氣的作功能力為350公斤·米，按塔內的空氣流速2米/秒計算，此時系統(tǒng)內可產生9300000公斤·米/秒的發(fā)電能力約9萬千瓦。每千瓦設備投資34000元人民幣，按每千瓦設備年發(fā)電為7200度計算，系統(tǒng)使用壽命按20年計算，發(fā)電成本為0.24元人民幣/度左右?？紤]到高空風力的影響及制作太陽能塔的鋼管密度可以降低到300 mm間距一根，發(fā)電成本為0.03元人民幣/度左右?！　?/p>

5500米太陽能塔系統(tǒng)采用溫室遮棚加熱時系統(tǒng)滿負荷發(fā)電時間按3000小時/年計算，溫室遮棚不工作時發(fā)電時間按4200/年小時計算，每千瓦設備年發(fā)電為3270度，發(fā)電成本為0.094元人民幣/度左右?！　?/p>

將熱機的低溫熱源安裝在5500米高空利用其與地面35℃的溫差發(fā)電也是可以考慮的方案?！　?/p>

考慮到現(xiàn)有技術5500米太陽能塔的基礎制作困難較大，即使采用斜拉方式穩(wěn)定太陽能塔也將因高空風力大產生較大的困難，因此利用太陽能塔發(fā)電應以高度為1000米太陽能塔為起點?！　?/p>

如果采用54428根按本文設計的φ30×1mm、材質為16Mn鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為1000米、直徑為520米的太陽煙塔，將使用約74000噸鋼管，按每噸16Mn鋼材的無縫鋼管8500元人民幣計太陽能塔的制作的最大成本為6.3億元人民幣；不采用溫室遮棚加熱直接利用1000米高空與地面6.5℃的溫差發(fā)電，太陽塔內渦輪前后將產生14公斤/平方米的壓力差，每立方米空氣的作功能力為11.5公斤·米，太陽能塔內渦輪前將產生約4.2米/秒的風速，太陽能塔內渦輪后方的空氣流速為2米/秒，空氣通過渦輪后每32000立方米空氣生產1度電能，每秒通過渦輪的空氣量為425000立方米。渦輪布置在太陽煙塔下約50米高的空氣入口處，考慮到太陽能塔頂部高空風力的正面影響系統(tǒng)平均發(fā)電能力大于4.5萬千瓦。設備投資15500元人民幣/千瓦。按每千瓦設備年發(fā)電為7920度計算（年發(fā)電11個月），發(fā)電成本為0.1元人民幣/度左右。將制作太陽能塔的鋼管密度降低到300 mm一根，周圍用普通的輕質密封隔熱材料封閉，太陽能塔的造價可降低到1億元人民幣以內。設備投資3720元人民幣/千瓦。發(fā)