牛人自制高強(qiáng)度桿件欲實(shí)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(qiáng)度的50％設(shè)計(jì)的桿件在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響并且下部基礎(chǔ)穩(wěn)定的前提下可獨(dú)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組總重為91噸計(jì)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(yùn)行。此時發(fā)電機(jī)塔架的鋼材消耗量為20.4噸相當(dāng)于目前同樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)度70％設(shè)計(jì)的桿件在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響并且下部基礎(chǔ)穩(wěn)定的前提下將總重為91噸的1500KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在5000米高度時按本設(shè)計(jì)將使用5根5000米的φ60×5mm、材質(zhì)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(jī)塔架的鋼材消耗量仍低于目前90米高度同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架鋼材消耗量（174噸）。　　

根據(jù)目前掌握的風(fēng)力資源信息在地面大約80米的高空風(fēng)速達(dá)到每秒5米時，在800米的高空，風(fēng)速將上升到每秒7米，風(fēng)能為80米高度2.7倍，同時相同地點(diǎn)隨著高度的升高風(fēng)能的能量密度將會更大。而本文的技術(shù)幾乎可以將地球上5000米高空以下有價值的風(fēng)能全部得以利用，全球可開發(fā)利用的風(fēng)能總量可以擴(kuò)大到目前科技水平認(rèn)可的100倍以上；因此地球上可開發(fā)利用的風(fēng)能資源將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前人類的全部能源需求。如果本技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)將有可能徹底解決人類的能源危機(jī)問題。　由于高空風(fēng)能的密度相對較大且更為穩(wěn)定因此安裝在高空的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)安裝的高空發(fā)電機(jī)組的投資與目前同類機(jī)組相當(dāng)，因此高空風(fēng)能發(fā)電成本將會低于目前使用的100米以下高度塔架風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本?！　?/span>

有人設(shè)計(jì)了高度為1000米的太陽能搜集塔，其設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)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(nèi)的空氣可達(dá)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(nèi)的32個旋轉(zhuǎn)的渦輪將生產(chǎn)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(zhuǎn)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(shí)際上此設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是1000米或更高太陽能塔的制作成本太大，依據(jù)2005年產(chǎn)業(yè)報告，具有20萬千瓦電能生產(chǎn)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(shù)制作太陽能塔只要將比重低抗拉強(qiáng)度較大的柔性材料制作成內(nèi)、外壁相連且互通外壁為雙層的圓形煙囪結(jié)構(gòu)。使用時依靠數(shù)根1000米高度以上本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立鋼管的輔助在太陽能塔內(nèi)、外壁之間夾層充滿空氣太陽能塔即可達(dá)到1000米或更高的設(shè)計(jì)高度，根據(jù)天氣預(yù)報當(dāng)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(shù)根獨(dú)立的1000米以上高度的鋼管上制作太陽能塔的設(shè)計(jì)也是同樣可行的。如果采用13607根按本文設(shè)計(jì)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?！　?/p>

如果采用13607根按本文設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shè)計(jì)的1.7倍，太陽能塔高度為原設(shè)計(jì)的5.5倍，考慮到5500米高空的空氣密度約為地面的一半實(shí)際渦輪出口的壓力差達(dá)到原設(shè)計(jì)的7倍，此時渦輪入口風(fēng)速將達(dá)到105公里/小時，系統(tǒng)滿負(fù)荷發(fā)電能力為原設(shè)計(jì)的7倍達(dá)到140萬千瓦?！　?span style="text-indent: 2em; ">發(fā)電設(shè)備按1500元人民幣/千瓦計(jì)。合計(jì)設(shè)備投資6140元人民幣/千瓦相當(dāng)于火力發(fā)電廠的設(shè)備投資，遠(yuǎn)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(shè)備補(bǔ)助每千瓦20000元人民幣的標(biāo)準(zhǔn)?！　?/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(nèi)渦輪前后將產(chǎn)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(nèi)的空氣流速2米/秒計(jì)算，此時系統(tǒng)內(nèi)可產(chǎn)生9300000公斤·米/秒的發(fā)電能力約9萬千瓦。每千瓦設(shè)備投資34000元人民幣，按每千瓦設(shè)備年發(fā)電為7200度計(jì)算，系統(tǒng)使用壽命按20年計(jì)算，發(fā)電成本為0.24元人民幣/度左右?？紤]到高空風(fēng)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。　　

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

將熱機(jī)的低溫?zé)嵩窗惭b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(shù)5500米太陽能塔的基礎(chǔ)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(fēng)力大產(chǎn)生較大的困難，因此利用太陽能塔發(fā)電應(yīng)以高度為1000米太陽能塔為起點(diǎn)?！　?/p>

如果采用54428根按本文設(shè)計(jì)的φ30×1mm、材質(zhì)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(jì)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(nèi)渦輪前后將產(chǎn)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(nèi)渦輪前將產(chǎn)生約4.2米/秒的風(fēng)速，太陽能塔內(nèi)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(chǎn)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(fēng)力的正面影響系統(tǒng)平均發(fā)電能力大于4.5萬千瓦。設(shè)備投資15500元人民幣/千瓦。按每千瓦設(shè)備年發(fā)電為7920度計(jì)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(zhì)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(nèi)。設(shè)備投資3720元人民幣/千瓦。發(fā)