Kodėl kai kuriose šalyse stebimas žemas saulės balionų priešgynis, nepaisant didelio saulės spinduliavimo?

Saulės balionų technologijos supratimas ir jos potencialas aukštos altitudės taikymuose

Kas yra saulės balionas ir kaip jis panaudoja saulės energiją?

Saulės balionai kyla aukštyn, kai saulės šviesa įšildo orą jų šviesiuose, permatomuose apvalkaluose. Šiltas oras išsiplėtę ir tampa lengvesnis už aplinkinį orą, todėl balionas savaime kyla aukštyn be jokios degimo kurui reikalingos energijos. Naujesnės versijos šią pagrindinę idėją vysto toliau, tiesiogiai pridėdamos saulės baterijas prie balionų. Šios baterijos gamina elektros energiją GPS sekimui, radijo ryšio įrangai ir įvairiems jutikliams maitinti, kol balionai skraido ore. Kai kurie tyrimai parodė, kad specialūs stratosferos balionų dizainai gali pasiekti net apie 500 vatų kvadratiniam metrui saulės energijos maksimalaus spinduliavimo metu, kaip nurodyta 2017 m. Liu ir kitų paskelbtoje studijoje. Sujungus šilumos sukeltą kėlimąsi ir saulės energijos elektrą, šie balionai gali ilgą laiką išlikti ore be žmogaus kišimosi ar papildymo.

Fotovoltinių masyvų konfigūracijos vaidmuo stratosferos transporto priemonėse

Kaip gerai saulės balionai veikia, priklauso nuo to, kur mes dedame šiuos fotovoltainius panelius, bandydami gauti tinkamą mišinį tarp svorio pasiskirstymo, oro srauto aplink juos ir įsitikinkite, kad jie sugauna pakankamai saulės šviesos. Dauguma žmonių įkūnija plonas plėvelės saulės elementus arba spiralinės formos arba plytelių formos modelius ant viso išorinio baliono sluoksnio. Šis įtaisas padeda gauti maksimalų saulės spinduliuotį, nesukeldamas per daug įtampos į patį medžiagą. Remiantis kai kuriais atsinaujinančios energijos tyrimais, atliktais 2020 metais, šių plokščių kampas nuo 15 iki 20 laipsnių, link saulės didžiausios vietos, iš tikrųjų padidina jų energijos gamybą maždaug 12 iki 18 procentų, palyginti su tiesiog juos padengimu. Tokie protingi dizaino pasirinkimai daro visą skirtumą, kad energija tektų nuolat, kai balionas pakyla į dangų ir tęsiasi per dienos ir nakties ciklus, kai šviesos pokyčiai ir oro modeliai nuolat keičiasi.

Saulės balionų pranašumai prieš tradicines oro platformas

Saulės balionai yra pigesnė ir ekologiškesnė galimybė, palyginti su brangiomis palydovomis ir triukšmingais degalų deginančiais dronais, kuriuos matome visur. Šie daiktai gali skristi maždaug 20-25 kilometrų aukštyje kelias savaites iš eilės, nuolat stebėdami mūsų planetą, stebėdami klimato pokyčius ir net padedant su ryšių signalais. Praėjusių metų tyrimas parodė, kad saulės balionų naudojimas sumažina išlaidas maždaug 60 procentų, palyginti su žemesnėje Žemės orbitoje. Be to, jie gamina beveik 700 gramų mažiau anglies dioksido už kilowatts valandą nei įprasti dronai. Tai, kas daro juos tokie efektyvūs, yra jų paprastas dizainas, leidžiantis jiems važiuoti kartu su vėjo srovėmis aukštyn stratosferoje, tai reiškia, kad jiems nereikia daug energijos, kad liktų aukštyje, kas prailgina, kiek jie gali dirbti prieš prireikus priežiūros.

Geografinė neatitiktis: didelio saulės spinduliuotės regionai su maža saulės baliono paskirstymu

Išaiškinkite paradoksą: didelis saulės spinduliuotės kiekis, bet ribotas naudojimas

Nors šiose vietovėse yra daug saulės, vietose netoli ekvatoriaus ir sausuose dykumose, kur kasdien saulės spinduliai vidutiniškai yra apie 5-6 kWh už kvadratinį metrą, yra mažiau nei 12 procentų visų pasaulyje įrengtų saulės balionų. Tai visiškai skiriasi nuo to, ką matome vietoje, kur tradiciniai saulės ūkiai yra naudojami maždaug 67% didesniu kiekiu tose pačiose saulėtose vietose. Kodėl toks didelis atotrūkis? Čia yra rimtų iššūkių. Vėjas aukštyn gali kartais labai paspartinti, pušdamas daugiau nei 120 kilometrų per valandą ir sudėtinga išlaikyti balionus stabilius. Be to, saulė ten yra tokia stipri, kad speciali danga ant saulės baterijų nusidėvėja beveik 40% greičiau nei šalčiau pasaulio vietose.

Saulės spinduliuotės analizė prieš dabartines naudojimo tendencijas

Iš 22 šalių, kuriose kasmet šviečia mažiausiai 2800 saulės valandų, tik aštuonios turi saulės balionų projektus. Dauguma šių balionų baigiasi vidutinių platumų vietose, kur yra geros, bet ne itin didelės saulės šviesos (apie 3 iki 4 kWh už kvadratinį metrą). Šiose vietovėse atsinaujinančios energijos sektoriui paprastai teikiama geresnė vyriausybės parama ir jau yra techninės sistemos tokiems projektams remti. Pažvelkite į bandymų vietas šitose šiltnamio zonuose, jie laikosi savo balionų oroje apie 85% laiko, nors jie gamina maždaug 18% mažiau energijos, palyginti su panašiomis įrengimais netoli ekvatoriaus. Atrodo, kad stabilumas yra svarbiau už kiekvieną saulės energijos lašą, kai kalbama apie realaus pasaulio taikymą.

Techninės kliūtys, kuriomis kliūčių tinkama saulės energijos naudojimas balionuose

Energijos svyravimų valdymo įkilimo ir dienos ciklų metu

Fotovoltainių plokščių veikimas sumažėja apie 47%, nes jie pakyla dėl to, kaip greitai keičiasi temperatūra, remiantis Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos tyrimais dar 2023 metais. Ten, maždaug 20 kilometrų aukštyje, nors saulės šviesa stiprėja maždaug 25%, plokštės tampa daug mažiau efektyvios, kai yra šalta, iki minus 56 laipsnių Celsijaus, kai tikrai reikės papildomos energijos. Kad šios svarbios sistemos veiktų per tuos sudėtingus ryto ir vakaro periodus, inžinieriai susiduria su dideliu iššūkiu valdyti įtampos svyravimus, kurie iš tikrųjų yra tris kartus didesni nei įprastose antžeminėse saulės įrenginiuose. Tai reiškia, kad turi būti įrengta speciali įranga, kuri veiksmingai padėtų valdyti šiuos didelius galios svyravimus.

Materialo įtempimas ir šiluminis susilpnėjimas stratosferos sąlygomis

Stratosferos balionai per vieną dieną patiria 165 laipsnių Celsijaus temperatūrą, todėl jų polimerinė oda nusileidžia ir susitraukia beveik du kartus per dieną. Visas šis nuolatinis išsiplėtimas ir susitraukimas iš tikrųjų daro didelį poveikį medžiagoms. Remiantis pernai "Aerospace Materials Review" paskelbtaisiais tyrimais, nusidėvėjimas vyksta maždaug keturis kartus greičiau nei įprastame lėktuve, skridusiame žemiau. Ir dar viena problema. Aplink 50 000 pėdų aukštyje, kur veikia šie balionai, ultravioletinė spinduliuotė yra pakankamai stipri, kad suardytų tuos specialius antreflektines dangas ant fotovoltinių elementų maždaug 32 proc. greičiau nei įprastai. Kad išspręstų šią problemą, inžinieriai ėmė naudoti tvirtesnius kvarco stiklo laminatus. Tačiau šios tvirtesnės medžiagos turi savo kainą - jos sveria 9 kilogramus už kvadratinį metrą. Šis papildomas svoris nėra puiki naujiena, nes balonas gali ilgai skristi ir nešti krovinį.

Nešiojamųjų fotovoltinių sistemų svorio ir efektyvumo subalansuotumas

Remiantis MIT 2022 metų tyrimais, plonų plėvelės saulės baterijos iš tikrųjų yra 21 procentų efektyvesnės, kai kalbama apie energiją vienam svoriui, palyginti su tradicinėmis silicio baterijomis, todėl jos puikiai tinka reiklioms reikmėms. Bet yra ir viena spragos. Jie gana trapūs. Kad galėtų valdyti tuos beprotiškus srautų vėjus, kurie gali pasiekti 160 km/val., šioms plokštėms reikia rimtų stiprinimo konstrukcijų. Ir čia dizaineriai susiduria su tikra problema: sutaupyti tik vieną kilogramą saulės energijos paprastai reiškia pridėti 3 kilogramus svorio kaip balastą, kad viskas būtų stabili. Tai panaikina daugumą to, ką mes gauname iš šių naujų medžiagų naudojimo.

Infrastruktūros, reguliavimo ir eksploatavimo iššūkiai

Išvykimo ir atkūrimo iš atokiausių regionų antžeminės paramos trūkumas

Geriausios vietos paleidimui yra tolimos dykumos vietovės ar saulėtos aukštumos, kur yra daug šviesos, bet beveik nieko kito. Daugumoje šių vietų nėra tinkamų kelių, aplink kurių būtų galima važiuoti, nėra hangarų ir tikrai nėra pakankamai žmonių, kurie žinotų, ką daro, kai reikia saugiai kelti ir nuleisti daiktus. Kai įmonėms reikia sukurti laikinąsias bazes, kad tik galėtų ten veikti, tai tikrai išnaudoja jų biudžetą. Kalbama apie kainų kilimą nuo 40% iki 60%. Kodėl? Nes jiems reikia specialios įrangos, tokios kaip didieji helio kompresoriai ir valdymo sistemos, sukurtos atlaikyti griežtas oro sąlygas. Neseniai atliktas tyrimas apie stratosferos operacijas 2023 metais patvirtino būtent šią problemą. Ir neturint tam tikros nuolatinės infrastruktūros, kiekviena misija kainuoja papildomų pinigų tik už įrengimą. Tai daro operacijas, kurios yra sudėtingesnės nei norėtų.

Oro erdvės taisyklės ir tarpvalstybinių skrydžių apribojimai

Saulės balionai, skridę nuo maždaug 60 iki beveik 80 tūkstančių pėdų, patenka į šią sudėtingą oro erdvę, kur sutampa skirtingi aviacijos reglamentai. FAA leidžia kai kuriuos eksperimentinius dalykus pagal 101 dalį žmonėms Amerikoje, bet Europoje ir Azijoje vyriausybės linkusios pageidauti specialaus leidimo kiekvienam skrydžiui. Bandymas perkelti šiuos balionus per sienas tik sukuria daugiau galvos skausmų. Paimkite šį aplinkosaugos projektą Viduržemio jūroje kaip pavyzdį, jie turėjo eiti per šešių skirtingų šalių patvirtinimo procesus ir jiems prireikė ne mažiau kaip 14 ilgų mėnesių viską išspręsti. Visa ši biurokratija tikrai sulėtina veiksmus, kai reikia greitai reaguoti ir prideda daug dokumentų, su kuriais niekas nenori susidurti.

Mažos prieinamumo regionuose, kuriuose yra daug saulės, techninės priežiūros sunkumai

Saulė tikrai labai veikia medžiagas karštuose klimatuose, su ultravioletinių spindulių sukeltu medžiagų senėjimu, kuris vyksta apie 30 % greičiau nei gamintojai iš pradžių numatė. Tai reiškia, kad apsaugines konstrukcijas tenka keisti žymiai anksčiau. Kai ateina laikas taisyti saulės baterijas ar vandenilio saugyklas, situacija darosi dar sudėtingesnė, nes trūksta pakankamai kvalifikuotų technikų, o daugelyje vietovių trūksta tinkamos įrangos patikroms atlikti, tokios kaip dronai ar tinkami sraigtasparniams nusileisti plotai. Pagal pramonės tyrimą, atliktą pernai, beveik 6 iš 10 netikėtų sustojimų įvyksta todėl, kad priežiūros darbai sausose vietovėse nuolat atidedami. Be to, negalima pamiršti smėlio audrų, kurios siaučia šiose vietovėse ir dar labiau pagreitina susidėvėjimo procesą.

Ekonominis naudingumas ir politikos spragos, trukdančios plačiai priimti

Dideli pradiniai kaštai prieš ilgalaikį grąžinimą

Vidutinė saulės baliono sistema pradėti reikia apie 1,2 mln. JAV dolerių pagal 2023 m. REN21 duomenis, kas yra maždaug dvigubai daugiau nei kainuotų tradicinės stebėsenos skrydžių bepilotės priemonės. Nors šios sistemos nenaudoja kuro ir bendrai reikalauja mažiau techninės priežiūros, po dešimties metų jos vis tiek sutaupo apie 40 % bendrųjų išlaidų. Tačiau yra viena problema – dauguma vyriausybės institucijų ir reglamentavimo agentūrų linkę sutelkti dėmesį į tuoj patines biudžeto ribas, o ne į ilgalaikes sutaupas. Žinoma, nuo 2010 m. fotovoltinių elementų kaina sumažėjo beveik 90 %, tačiau kai kurios specializuotos dalys, tokios kaip vandeniliui atsparios apvalkalai ir tie prašmatnūs tikslūs skrydžių valdymo sistemos, išlieka brangios, nes gamintojai jų kol kas dar negamina pakankamai dideliais kiekiais.

Atsinaujinančios energijos skrydžių platformų trūkumas dėl valstybės skatinimo priemonių nebuvimo

Tik apie 12 procentų šalių, turinčių A klasės saulės regionų, iš tikrųjų suteikia mokesčių lengvatas saulės balionams diegti, tuo tarpu maždaug dvi trečiosios teikia finansinę paramą tradicinėms ant žemės montuojamoms saulės energetikos sistemoms, rodo naujausi 2024 metų energijos politikos tyrimai. Kodėl tokia nelygybė? Dauguma aviacijos taisyklių toliau traktuoja saulės balionus kaip eksperimentinius įrenginius, o ne kaip rimtą infrastruktūrą. Gamintojai čia susiduria su didelėmis kliūtimis, kadangi neturi galimybių pasinaudoti tyrimų finansavimu ar gamybos mokesčių lengvatomis, prieinamomis vėjo jėgainių ar tradicinių saulės baterijų gamintojams. Ši finansinė nepakankama parama labai apsunkina įmonėms gamybos apimčių didinimą ar kainų mažinimą naudojantis masto ekonomijos principais.

Atvejo studija: Nepavykęs saulės baliono pilotinis projektas Subsaharų Afrikoje

Sausros stebėjimo projektas, pradėtas Malioje 2022 m. su planu naudoti 18 saulinių balionų, po aštuonių mėnesių žlugo dėl įvairių problemų. Muitinės pareigūnai uždėjo šokiruojančias muitines mokesčius už importuotas kompozitines medžiagas – 740 000 JAV dolerių vertės, kurie labai išsekė mūsų biudžetą. O kai pradėjo gedėti įrangos? Vietoje tiesiog nebuvo jokių technikų, kurie gebėtų taisyti tuos vandenilio elementus, todėl viena problema po kitos vis kaupėsi. Be to, griežtos skrydžių taisyklės reiškė, kad galėjome stebėti tik apie 30 % to ploto, kurį iš pradžių norėjome kontroliuoti. Galiausiai visa ši nesėkmė kainavo apie 2,6 milijono JAV dolerių. Ką tai moko? Net jei šiose vietovėse kiekvieną dieną šviečia saulė, vien pinigai nepakanka. Reikia geresnio planavimo tarp skirtingų institucijų, tinkamų vietiniams skirtų mokymo programų ir protingesnių reglamentų, kurie faktiškai remtų projektus vietovėje, o ne trukdytų jiems.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Kokie yra pagrindiniai saulinių balionų pranašumai?

Saulės balionai siūlo kainomis efektyvų ir aplinkai draugišką alternatyvą tradicinėms oro platformoms, tokioms kaip palydovai ir skraidmenys. Jie gali užtikrinti nuolatinį stebėjimą klimatui ir ryšiams mažesnėmis išlaidomis, kartu sukuriant mažiau anglies dioksido.

Kur dažniausiai naudojami saulės balionai?

Saulės balionai dažnai naudojami vidutinėse platumose, kurios suteikia pusiausvyrą tarp saulės šviesos ir stabilumo. Šiose vietovėse paprastai teikiama geresnė vyriausybės parama atsinaujinančios energijos projektams ir egzistuoja esamoji techninė infrastruktūra.

Kokios yra saulės balionų diegimo aukštos saulės spinduliavimo regionuose problemos?

Aukšto saulės spinduliavimo regionuose saulės balionų diegimas susiduria su sunkumais, tokiais kaip dideli vėjo greičiai, kurie veikia stabilumą, bei intensyvus saulės šviesos poveikis, dėl kurio medžiagos greičiau sensta. Šie veiksniai lemia ribotą saulės balionų naudojimą tokiuose regionuose.

Kodėl saulės balionai laikomi eksperimentiniais?

Saulės balionai dažnai laikomi eksperimentiniais dėl besikeičiančių aviacijos taisyklių ir vyriausybės skatinamųjų priemonių trūkumo, palyginti su tradicinėmis atsinaujinančios energijos technologijomis, kas sukelia kliūtis jų plačiam naudojimui.