태양 상승기류탑

Solar updraft tower
이 기사는 발전소의 종류에 관한 것이다.기타 용도는 솔라 타워(동음이의)를 참조하십시오.
태양광 상승기류탑의 개략도

태양열 상승기류탑(SUT)은 저온 태양열로 전기를 생산하는 재생 에너지 발전소의 설계 개념이다.햇빛은 매우 높은 굴뚝 타워의 중앙 기단을 둘러싸고 있는 매우 넓은 온실 같은 지붕이 있는 집수기 구조물 아래에서 공기를 데웁니다.그 결과 발생하는 대류는 굴뚝 효과에 의해 주탑에 뜨거운 공기 상승 기류를 일으킨다.이 기류는 굴뚝의 상승기류 또는 굴뚝 바닥 주변에 배치된 풍력 터빈을 구동하여 전기를 생산합니다.

2018년 중반 현재 시제품이 여러 대 제작되었지만, 본격적인 실용 유닛은 가동되지 않고 있습니다.데모 모델의 스케일업 버전은 상당한 전력을 생성하도록 계획되어 있습니다.또한 농업이나 원예, 물 추출 또는 증류, 도시 대기 오염 개선 등의 다른 응용 프로그램 개발을 허용할 수 있다.

상업 투자는 매우 큰 신규 건축물을 건설하는 데 드는 높은 초기 비용, 필요한 넓은 토지 면적, 그리고 투자 [1]위험으로 인해 위축되었을 수 있다.1981년 스페인, 2011년 이란, 2010년 중국(아래 참조)에서 일부 프로토타입이 최근[2] 제작되었으며 아프리카, 미국 및 호주 일부 지역에 대한 프로젝트가 제안되었다.

2014년에 National Geographic은 정보에 정통한 엔지니어링 제안자와의 인터뷰를 포함한 인기 있는 업데이트를 발표했습니다.태양광 상승기류 타워 발전소는 지반 또는 지표면과 구조적으로 도달할 수 있는 고도 사이의 저온 대기열 구배로부터 전력을 발생시킬 수 있다.기능적 또는 기계적 타당성은 이제 [3]자본화보다 덜 문제가 된다.태양열 상승기류 타워 발전소(SUTPP) 개발의 이론적이고 실험적인 측면에 대한 포괄적인 검토가 제공되며, 상업적 개발을 [4]권고한다.Dogan Eyrener는 2020년에 시연 및 모델링 데이터의 진행 상황을 검토했으며,[5] 의사록 출판에 포함되었다.

설계.

전력 출력은 주로 수집기 영역과 굴뚝 높이라는 두 가지 요소에 따라 달라집니다.면적이 넓을수록 더 많은 양의 공기가 모여 굴뚝을 타고 올라갑니다. 지름이 7km(4.3mi)에 이르는 집수 구역이 논의되었습니다.굴뚝 높이가 클수록 스택 효과를 통해 압력 차이가 커집니다. 1,000m(3,281ft)에 이르는 굴뚝이 [6]논의되었습니다.

열은 수집기 영역 내에 저장되므로 SUT가 24시간 작동할 수 있습니다.태양열 집열기 아래의 지면, 가방이나 튜브 안의 물, 또는 집열기의 소금물 열제거원은 집열기에 열용량과 관성을 더할 수 있다.상승 기류의 습도와 굴뚝의 응축은 시스템의 [7][8]에너지 플럭스를 증가시킬 수 있습니다.

수평 축이 있는 터빈은 호주 프로젝트에 대해 계획되고 위의 다이어그램에서 볼 수 있듯이 타워 베이스 주변의 링에 설치할 수 있으며, 스페인의 원형에서 볼 수 있듯이 단일 수직 축 터빈을 굴뚝 내부에 설치할 수 있습니다.

건설 자재 제조는 [9]배출을 발생시키는 반면, 거의 무시할 수 있는 양의 이산화탄소가 운영의 일부로 생산됩니다.순에너지 회수 기간은 2~3년으로 [8]추정됩니다.

태양열 집열기가 상당한 양의 땅을 차지하기 때문에 사막과 다른 가치가 낮은 장소가 가장 유력하다.유리를 사용하지 않은 증산 집열기를 사용하여 태양열을 채집하는 효율을 향상시키면 태양열에 필요한 토지를 크게 줄일 수 있습니다.

소규모 태양 상승 기류 타워는 개발도상국의 [10][11]외딴 지역에 매력적인 옵션일 수 있습니다.상대적으로 기술 수준이 낮은 접근방식은 현지 자원과 노동력을 건설과 유지보수에 사용할 수 있게 할 수 있다.

높은 위도에 탑을 배치하는 것은 채집 지역이 적도를 향해 크게 기울어져 있다면 적도에 가까운 곳에 위치한 비슷한 발전소의 생산량의 85퍼센트까지 생산할 수 있다.굴뚝 역할을 겸한 경사 수집기 밭은 적절한 산허리에 세워져 있으며, 산꼭대기에 수직축 공기 터빈을 수용할 수 있는 짧은 수직 굴뚝이 있다.그 결과 고위도에 있는 태양광 굴뚝 발전소는 열성능이 [12]만족스러운 것으로 나타났다.

역사와 진보

기계학 논문(1826년)의 스모크잭

굴뚝 터빈은 스모크 잭으로 구상되었고 500년 전 레오나르도 다빈치에 의해 그려졌습니다.불 위나 오븐에 있는 동물은 굴뚝 상승 기류에 네 개의 각진 베인이 있는 수직 축 터빈에 의해 회전될 수 있다.

Alfred Rosling [13]Bennett은 1896년에 "컨벤션 밀"을 설명하는 첫 번째 특허를 발표했습니다.특허의 제목이나 클레임에는 '장난감'이라는 단어가 명확하게 기재되어 있어도, 특허에 기재되어 있는 전체적인 설명에 의하면, 49-54행의 3페이지에서는, Bennett는, 보다 큰 규모의 애플리케이션을 위한 보다 큰 디바이스를 상정하고 있습니다.1919년 Albert H에 의해 건설된 "컨벤션 밀"의 모델입니다.대류 현상을 보여주는 홈즈앤손(런던)이 런던 과학박물관에 전시돼 있다.

1903년 스페인 육군 대령 이시도로 카바니예스는 잡지 '라 에네르기아 엘렉트리카'[14]에서 태양광 굴뚝 발전소를 제안했다.또 다른 초기 묘사는 1931년 독일 작가 Hanns [15]Günther에 의해 출판되었다.1975년부터, 로버트 E.Lucier는 1978년부터 1981년 사이에 호주,[16][17] 캐나다,[18] 이스라엘 [19]및 미국에서 특허 출원했다.

1926년 Bernard Dubos 교수는 큰 [20]산의 경사면에 태양 굴뚝을 갖춘 북아프리카에 태양 에너지 발전소를 건설하는 것을 프랑스 과학 아카데미에 제안했다.산허리 상승기류탑은 수직 온실 [citation needed]역할도 할 수 있다.

폴리에스테르 컬렉터 지붕을 통해 바라본 만자나레스 솔라 굴뚝

1982년, 태양열 드래프트[21] 타워의 소규모 실험 모델이 스페인 마드리드에서 남쪽으로 150km 떨어진 시우다드 레알 만자나레스에 세워졌다.39°02°34.45°N 3°15°12.21°N / 39.0429028°N 3.2533917°W / 39.0429028; -3.2533917 (Manzanares Solar Updraft Tower)그 발전소는 약 8년간 가동되었다.탑의 배선은 부식으로부터 보호되지 않았고 녹과 폭풍으로 인해 고장 났다.그 탑은 무너졌고 [22]1989년에 해체되었다.

La Solana에서 본 SUT

성능을 평가하기 위해 저렴한 재료가 사용되었습니다.이 태양탑은 독일 엔지니어 외르크 슐라이히의 지시로 두께 1.25밀리미터(0.049인치)의 철 도금으로 지어졌다.이 프로젝트는 독일 [23][24]정부의 자금 지원을 받았다.

굴뚝은 높이 195m(640ft)와 직경 10m(33ft)로 채집면적(온실) 46ha(110에이커), 직경 244m(801ft)로 최대 출력 약 50kW를 얻었습니다.단일 또는 이중 유리 또는 플라스틱(내구성 부족)과 같은 다양한 재료가 테스트에 사용되었습니다.한 구역은 실제 온실로 사용되었다.작동 중 내외 온도, 습도, 풍속 데이터를 초당 180개씩 [25]수집했다.이 실험 장치는 에너지를 판매하지 않았습니다.

2010년 12월, 중국 내몽골의 진샤완의 한 타워가 200 킬로와트를 [26][27]생산하며 가동을 시작했다.13억8000만 위안(미화 2억8000만 달러) 프로젝트는 2009년 5월에 시작되었습니다.2013년까지 277헥타르(680에이커)를 커버하고 27.5MW를 생산할 예정이었으나 규모를 줄여야 했습니다.태양열 굴뚝 공장은 느슨한 모래를 덮고 모래 [28]폭풍을 억제함으로써 기후를 개선할 것으로 기대되었다.비평가들은 50m 높이의 탑이 제대로 작동하기엔 너무 짧으며,[29] 금속 프레임에 유리를 사용한 것은 실수였다고 주장해 왔다.

스페인 만자나레스에 있는 SUT 발전소 시제품, 남쪽 8km 지점에서 바라본 모습

시우다드 레알의 푸엔테 엘 프레즈노에 태양 상승 기류 타워를 건설하자는 제안은 유럽 연합[30] 최초의 것이 될 것이며 350 헥타르(860에이커)[32]의 면적을 덮는 750미터(2,460피트) [31]높이에 이를 것이다.이 높이에서 그것은 한 때 유럽연합에서 가장 높은 구조물이었던 벨몬트 TV 돛대보다 거의 두 배 높이에 달할 것으로 예상되며, 24미터 정도 [33][34]짧아질 것이다.

Manzanares 솔라 굴뚝 - 집전체 유리 지붕을 통해 본 타워의 모습

2001년 EnviroMission은[35] 뉴사우스웨일스 [36]주 부롱가 근처에 솔라 타워 부롱가라고 알려진 태양열 상승기류 타워 발전소를 건설할 것을 제안했다.그 회사는 그 프로젝트를 완료하지 못했다.그들은 애리조나,[37] 그리고 가장 최근(2013년 12월) [38]텍사스에 유사한 공장을 건설할 계획을 가지고 있지만, 환경위원회의 제안에는 '기공'의 징후가 없다.

2011년 12월, 호주 서부의 토니 세이지와 댈러스 뎀스터가 관리하는 Hyperion Energy는 중서부 광산 [39]프로젝트에 전력을 공급하기 위해 미카타라 근처에 1km 높이의 태양 상승 기류 타워를 건설할 계획이라고 보고되었습니다.

집전탑 아래가 까맣게 그을린 지붕 위의 탑에서 바라볼 수 있습니다.캐노피 커버의 다양한 시험 재료와 농업 시험 구역의 검지 않은 12개의 넓은 들판을 볼 수 있다.

보츠와나 과학기술부는 장기적인 에너지 전략의 필요성에 기초하여 소규모 연구 타워를 설계하고 건설했다.이 실험은 2005년 10월 7일부터 11월 22일까지 진행되었다.내부 직경은 2m(6.6ft)이고 높이는 22m(72ft)로 유리 강화 폴리에스테르로 제조되었으며 면적은 약 160m2(1,700평방피트)입니다.지붕은 철골 [40][unreliable source?]골조로 지지된 5mm 두께의 투명 유리로 제작되었습니다.

2008년 중반, 나미비아 정부는 '그리엔타워'라고 불리는 400 MW의 태양광 굴뚝 건설을 위한 제안을 승인했다.타워는 높이 1.5km, 직경 280m로 계획되었으며,[41] 기지는 37평방킬로미터(14평방마일)의 온실로 구성될 예정이다.

토목 [42]프로젝트로서 터키에 태양 상승 기류 모형 타워가 건설되었습니다.기능이나 결과는 [43][44]불명확합니다.

발화 집열기를 이용한 두 번째 태양 상승 기류 타워는 터키 에디르네의 Trakya University에서 가동되고 있으며, 태양광 발전(PV)[citation needed] 어레이에서 열을 회수하는 능력 등 SUT 설계의 다양한 혁신을 테스트하기 위해 사용되고 있습니다.

태양광 타워는 추가 주간 출력을 위해 광전(PV) 모듈을 증산 집열기에 통합할 수 있으며, 태양광 타워에 의해 PV 어레이의 열이 이용된다.

2012년 코네티컷 교외에 [45][46]학교 과학 박람회를 위한 초등학생의 DIYSUT 시연회가 건설되어 연구되었습니다.7m의 스택과 100m2의 컬렉터를 사용하면 터빈으로서의 컴퓨터 팬에서 하루 평균 6.34mW의 전력을 발생시켰다.일사 및 바람은 출력의 주요 변동 요인(0.12 ~ 21.78 mW 범위)이었다.

중국 중부 시안(西安)에서는 주변 수집기가 있는 60미터 높이의 도시 굴뚝이 도시 대기 오염을 크게 줄였습니다.이 시연 프로젝트는 중국과학원 에어로졸 화학 및 [47]물리 핵심 연구소의 화학자 조준지가 주도했다.이 작업은 이후 성능 데이터와 [48][49]모델링과 함께 에 발표되었습니다.

효율성.

전통적인 태양열 상승기류 타워는 (고온) 태양열 집열기 그룹의 다른 많은 설계보다 전력 변환률이 상당히 낮습니다.낮은 전환율은 태양광 [22][50][51]채집 1제곱미터당 낮은 비용으로 어느 정도 균형을 이룬다.

모델 계산에 따르면 100 MW 발전소는 1,000 m 타워와 20 평방 킬로미터(7.7 평방 mi)의 온실이 필요할 것으로 추정됩니다.같은 높이의 200MW 타워는 직경 7km(총 면적 약 38km2)[8]의 수집기가 필요합니다.200MW 발전소는 일반 가정 약 20만 가구에 충분한 전력을 공급하고 연간 90만 톤 이상의 온실가스 배출량을 줄일 것이다.유리로 된 집광 구역은 그 위에 떨어지는 태양 에너지의 0.5퍼센트, 즉 1kW/m의2 5W/m를2 추출할 것으로 예상된다.유리 집열기 대신 증산 태양 집열기를 사용하면 효율이 배가된다.터빈 및 굴뚝 설계를 수정하여 벤추리 구성을 사용하여 공기 속도를 높임으로써 추가적인 효율성 개선이 가능합니다.집속열(CSP) 또는 태양광 발전(CPV) 태양광 발전소의 효율은 20 ~ 31.25%입니다(디시 스털링).수집기가 전체 설치 공간을 커버하지 않기 때문에 CSP/CPV의 전체적인 효율이 저하됩니다.추가 테스트가 없으면 이러한 계산의 정확성은 [52]불확실합니다.효율성, 비용 및 수율 예측의 대부분은 시연에서 경험적으로 도출되지 않고 이론적으로 계산되며, 다른 수집기 또는 태양열 변환 [53]기술과 비교된다.

태양광 상승기류 타워의 효율을 높이기 위해 2013년 잔디안과 애쉬재가[54] 화력발전소 건식 냉각 타워와 태양광 굴뚝을 재결합한 혁신적인 컨셉을 처음 선보였습니다.이 하이브리드 냉각-타워-솔라-킴니(HCTSC) 시스템은 유사한 기하학적 치수를 가진 Manzanares, Ciudad Real과 같은 기존 태양광 굴뚝 발전소에 비해 10배 이상의 출력 전력을 생산할 수 있는 것으로 나타났다.또한 굴뚝 직경이 증가하면 거대한 개별 태양광 굴뚝 패널을 만들 필요 없이 MW급 출력에 도달할 수 있는 것으로 나타났다.그 결과 HCTSC 시스템에서 최대 3MW의 전력 출력이 나왔으며, 굴뚝 직경이 50m(160ft)에 불과한 전형적인 250MW 화석 연료 발전소의 열 효율은 0.37% 증가했다.새로운 하이브리드 디자인은 태양열 상승기류를 다시 가능하게 했고, 많은 건설 비용과 시간을 절약하는 데 경제적임을 증명했다.또한 이 개념은 효율적인 활용 없이 대기 중으로 방출되는 라디에이터의 열을 회수하여 과도한 온실가스의 발생을 방지한다.

상승기류탑의 성능은 대기풍,[55][56] [57]굴뚝 지지용 브레이싱에 의해 유도되는 항력 및 온실 캐노피 상부의 반사로 인해 저하될 수 있다.그러나 상승기류는 상층부의 횡풍에 의해 강화될 수 있으며, 굴뚝 상부에 저기압 소용돌이가 형성되면 상승기류가 [58]증가할 수 있습니다.

관련 아이디어 및 적응

상승기류

  • 대기 소용돌이[59] 제안은 물리적 굴뚝을 제어되거나 '앵커링'된 사이클론 상승 기류 소용돌이로 대체한다.온도와 압력 또는 부력의 기둥 기울기, 그리고 볼텍스의 안정성에 따라 매우 높은 고도 상승 기류가 달성될 수 있습니다.태양열 집열기의 대안으로 산업 및 도시 폐열을 사용하여 소용돌이의 상승 기류를 시작하고 유지할 수 있습니다.
  • 망원경 또는 접이식 설계는 유지보수를 위해 또는 폭풍 피해를 방지하기 위해 매우 높은 굴뚝을 낮출 수 있습니다.열기구 굴뚝 현수장치도 제안됐다.
  • 타워의 기단부에 있는 터빈 바로 위에 배치된 태양열 보일러 기술의 형태는 상향 [citation needed]드레이크를 증가시킬 수 있습니다.
  • 모레노(2006)는 굴뚝을 언덕이나 [20]산비탈에 경제적으로 설치할 수 있다고 제안했다.Klinkman(2014)은 대각선 [60]굴뚝 건설에 대해 자세히 설명했습니다.높은 후프 터널처럼 단순하지만 길이가 훨씬 길고 경사면에 있는 구조물은 전기를 생산하기 위한 공기 흐름을 영구적으로 발생시킬 수 있습니다.굴뚝 높이를 200m(맨자나레스 실험)에서 2000m(네바다 찰스턴봉 등 높이 2500m 이상)로 바꾸면 채집된 태양열을 10배 더 전력화한다.굴뚝의 벽이 여분의 열을 흡수하도록 설계되었다고 가정하면 굴뚝 공기와 외부 공기 사이의 온도 차이를 10배 증가시키면 동일한 굴뚝의 출력이 10배 더 증가합니다.태양열을 집중시키는 것은 종종 반사로 이루어진다.
  • 팽창식 태양광 굴뚝 발전소는 분석적으로 평가되고 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델링에 의해 시뮬레이션되었습니다.이 아이디어는 컬렉터의 최적의 형태와 자립형 팽창식 [61]타워의 분석 프로파일을 포함하여 특허로 등록되었습니다.CFD 시뮬레이션은 American Society of Mechanical Engineers 2009 [62][63]표준에 의한 컴퓨터 시뮬레이션 검증, 검증 및 불확실성 정량화(VVUQ)에 의해 평가되었습니다.
  • Airtower는 초고층 빌딩 코어에 통합함으로써 초고층 빌딩의 초기 자본 지출을 더 잘 활용하자는 건축가 Julian Breinersdorfer의 제안입니다.생산자와 소비자의 근접성도 전송 [64]손실을 줄일 수 있습니다.>

수집기

  • 집열기의 해수 열제거원은 에너지 출력의 주간 변동을 '평탄화'시킬 수 있는 반면, 집열기의 공기 가습과 상승 기류의 응축은 [7][8]시스템의 에너지 플럭스를 증가시킬 수 있습니다.
  • 다른 태양 기술과 마찬가지로, 다른 동력원과 다양한 출력을 혼합하기 위해 어떤 메커니즘이 필요하다.열은 열을 흡수하는 물질이나 소금물 연못에 저장할 수 있습니다.전기는 배터리나 다른 [65]기술로 저장될 수 있다.
  • 최근의 혁신은 전통적인 유리 [66]커버 대신 증산 컬렉터를 사용한 것입니다.배출된 수집기의 효율은 온실 [67]수집기로 측정한 효율의 60% ~ 80% 또는 3배입니다.대형 태양열 집열기장은 이제 절반 이하로 줄어들어 태양 상승기류 타워가 훨씬 더 비용 효율적입니다.발광 집열기를 [68]이용한 태양광 타워 시스템에 대한 특허가 부여되었다.

제너레이터

  • 굴뚝 상승 기류가 이온화된 소용돌이일 경우, 기류와 굴뚝을 [citation needed]발전기로 사용하여 전자장을 전기로 사용할 수 있습니다.

적용들

  • 고도에 있는 대기 소용돌이 또는 태양 굴뚝에서 습한 지상 공기의 방출은 구름이나 강수량을 형성하여 지역 수문학을 [69][70][71]바꿀 수 있다.국지적 물 순환이 확립되고 건조하지 않은 지역에서 유지되는 경우 국지적 탈인증 또는 조림을 달성할 수 있다.
  • 태양 사이클론[72] 증류기는 굴뚝의 상승 기류에 응결되어 대기 중의 물을 뽑아낼 수 있었다.태양열 집열조 위 상승 기류에 있는 이 태양 사이클론 물 증류기는 집열기 [73]기반에 고인 소금물, 기수 또는 폐수의 대규모 담수화 작업을 위해 태양열 집열기-침니 시스템을 조정할 수 있다.
  • 소용돌이 굴뚝 스크러버를 장착하면 상승 기류는 미세먼지 공기 오염을 제거할 수 있습니다.중국의 한 도시에서 외부 에너지 [74][75][47]투입이 거의 없는 상태에서 실험용 시연탑이 공기를 정화시키고 있다.
  • 미립자 공기 오염이 상승 기류에 포착되어 방출되면 굴뚝에서 또는 방출[76] 고도에서 구름 종자로 강수 시 핵생성 자극이 될 수 있다.
  • 고도에서 발생 및 분산된 도시 대기 오염을 제거하는 것은 일사를 반영하여 지상 수준의 태양 온난화를 감소시킬 수 있다.
  • 에너지 생산, 물 담수화[73] 또는 간단한 대기 중 물 추출은 탄소 고정 또는 식량 생산 지역 [77]농업을 지원하기 위해, 그리고 온실으로서의 태양열 집열기 아래에서의 집중적인 양식과 원예에 사용될 수 있다.
  • 도시 테더에서 고정된 풍선에 매달린 경량 확장 굴뚝은 저준위 난기류에서 고공으로 상승하여 적절한 방출 높이만 주어진다면 기지에 광범위한 수집기를 설치할 필요 없이 낮은 대기 오염을 제거할 수 있다.이는 대규모 고정 건설의 부담과 비용 없이 고도로 오염된 대도시에서 대기 질을 개선할 수 있다.

대문자화

태양열 상승기류 발전소는 초기 자본 지출이 많이 필요하지만 운영 [8]비용은 상대적으로 낮습니다.

자본 지출은 와트당 약 5달러로 AP-1000과 같은 차세대 원전과 거의 동일할 것이다.다른 재생 가능 전력원과 마찬가지로 타워에도 연료가 필요하지 않다.전체 비용은 대부분 금리와 운용 연수에 따라 결정되며, 4%와 20년 동안 kWh당 5유로센트부터 12%와 40년 동안 [78]kWh당 15유로센트까지 다양하다.

총비용 추정치는 kWh당 7(200 MW 플랜트의 경우) 및 21유로센트(5 MW 플랜트의 경우)에서 [79]kWh당 25–35센트의 범위이다.LCOE(Levelized Cost of Energy)는 100MW 풍력 [80]또는 천연가스 플랜트의 경우 KWh당 약 3유로 센트가 됩니다.유틸리티 스케일 [81]발전소에 대한 실제 데이터는 없습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크