Kāpēc dažās reģionos, neskatoties uz lielu saules gaismu, novēro zemu saules balonu pieņemšanu?

Saules balonu tehnoloģijas izpratne un tās potenciāls augstas izcelsmes lietojumprogrammās

Kas ir saules balons un kā tas izmanto saules enerģiju?

Saules baloni rada cēlējspēku, kad saules gaisma sasilda gaisu iekšā to vieglajos, caurspīdīgajos apvalkos. Siltais gaiss izplešas un kļūst vieglāks par apkārtējo gaisu, tāpēc balons dabiski paceļas augšup, neizmantojot degvielu. Jaunākas versijas paplašina šo pamatideju, pievienojot baloniem tieši uzstādītus saules paneļus. Šie paneļi rada elektrību GPS datu pārbaudei, radio komunikācijas iekārtām un dažādiem sensoriem, kamēr tie peld augšā. Daži testi parādīja, ka īpaši stratosfēras balonu dizaini patiesībā var iegūt aptuveni 500 vatus uz kvadrātmetru no saules maksimālās intensitātes, kā norādīts 2017. gadā Liu un citu publicētajā pētījumā. Kombinējot gan siltuma radīto cēlējspēku, gan elektrības ražošanu no saules gaismas, šie baloni var palikt gaisā daudz ilgāk, neatkarīgi no tā, ka kādam nav jāceļas augšā, lai kaut ko pildītu atkārtoti.

Fotovoltaiķu masīvu konfigurācijas loma stratosfēras transportlīdzekļos

Cik labi saules baloni darbojas, viss ir atkarīgs no tā, kur mēs novietojam fotovilkula paneļus, cenšoties iegūt pareizu maisījumu starp svara sadalījumu, gaisa plūsmu apkārt un pārliecināties, ka tie uzņem pietiekami daudz saules gaismu. Lielākā daļa cilvēku uzbalsta smalkas plēves saules baterijas vai nu spirālveida formās vai plāksnītes formas uz visas balona ārējās slāņa. Šis uzklājums palīdz maksimāli izvietot materiālu saules gaisā, neliecinot par daudz uz materiāla. Saskaņā ar dažām pētījumiem no atjaunojamās enerģijas 2020. gadā, šīs paneļu leņķis 15 līdz 20 grādiem virzienā uz vietu, kur saule ir vislielākā, patiesībā palielina to enerģijas daudzumu aptuveni par 12 līdz 18 procentiem salīdzinājumā ar to, ka tās tiek uzlādētas. Šādas gudras dizaina izvēles veic visu, lai enerģija nepārtraukti plūst, kad balons uzlabojās debesīs un turpinās dienas un nakts ciklus, kad pārmaiņas apgaismojumā un laika apstākļi pastāvīgi mainās.

Saules balonu priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām gaisa platformām

Saules baloni ir lētāk un ekoloģiski tīrāks risinājums salīdzinājumā ar dārgiem satelītiem un skaistajiem degvielas degšanas bezpilotņiem, ko mēs redzam visur. Šie putni var vairākiem nedēļām nepārtraukti svārstīties 20 līdz 25 kilometru augstumā, sniedzot nepārtrauktu apglobu, lai skatītos uz mūsu planētu, sekotu klimata pārmaiņām un pat palīdzētu ar sakaru signāliem. Pārbaudes dati liecina, ka saules balonu izvietot, samazinās izmaksas par aptuveni 60%, salīdzinot ar to, kā uz zemas Zemes orbitas izvietot. Turklāt tie rada gandrīz 700 gramus mazāk oglekļa dioksīda par kilovatstundu nekā parasti bezpilotņi. Tas, kas tos padara tik efektīvus, ir vienkāršs dizains, kas ļauj tiem braukt kopā ar vēja strāviem augšā stratosfærā, kas nozīmē, ka tiem nav nepieciešama liela enerģija, lai palikt augšā, kas paplašina to, cik ilgi tie var darboties pirms nepieciešamas apkope.

Geogrāfiskā neatbilstība: augsts saules apgabali ar zemu saules balonu izplūdi

Paradoxiskais paradoks: liela saules iedarbība, bet ierobežota izmantošana

Lai gan šajās vietās ir daudz saules, vietas, kas atrodas tuvu ekvatoram un sausām tuksneša vietām, kur dienas saules gaismas vidējais daudzums ir aptuveni 5-6 kWh uz kvadrātmetru, veido mazāk nekā 12 procentus no visām saules balonu instalācijām visā pasaulē. Tas ir pilnīgi atšķirīgi no tā, ko mēs redzam uz zemes, kur tradicionālās saules enerģijas farmās tiek izmantotas aptuveni par 67 procentiem vairāk enerģijas šajās pašā saules vietās. Kāpēc ir tik liels atdalījums? Nu, šeit ir daži īsti izaicinājumi. Vējš, kas ir ļoti augsts, dažreiz var palielināt ātrumu, vērojot 120 km/h ātrumu un padarot grūtāk stabilus balonos. Turklāt saule tur ir tik spēcīga, ka saules paneļu īpašie pārklājumi izkārnās gandrīz 40% ātrāk nekā aukstākajās pasaules daļās.

Saules spīduma analīze pret pašreizējo izplatīšanas tendencēm

No 22 valstīm, kuras katru gadu saņem vismaz 2800 saules stundu, šobrīd tikai astoņās tiešām tiek īstenoti saules balonu projekti. Lielākā daļa šo balonu nonāk vidējā joslas reģionos, kuros ir pietiekams, bet neekstrēms saules gaismas daudzums (aptuveni 3–4 kWh uz kvadrātmetru). Šajās teritorijās parasti pastāv labāka valdības atbalsta sistēma atjaunojamajiem energoresursiem un jau eksistējošas tehniskās infrastruktūras, kas spēj atbalstīt šādus projektus. Aplūkojot testu atrašanās vietas šajos mērenajos klimata zonās, baloni tiek noturēti gaisā aptuveni 85% no laika, pat tad, ja tie ražo aptuveni par 18% mazāk enerģijas salīdzinājumā ar līdzīgiem iekārtu izvietojumiem tuvu ekvatoram. Izskatās, ka reālajās lietošanas situācijās stabilitāte tiek novērtēta augstāk nekā maksimāla saules enerģijas izmantošana.

Tehniskie šķēršļi, integrējot uzticamu saules enerģiju balonos

Enerģijas svārstību vadība pacelšanās laikā un diennakts ciklos

Fotovoltaisko paneļu veiktspēja samazinās aptuveni par 47%, jo augstumā tiek sasniegts ātrs temperatūras izmaiņu līmenis, kā norāda 2023. gada pētījums no Nacionālā atjaunojamās enerģijas laboratorijas. Aptuveni 20 kilometru augstumā, pat ja saules gaisma kļūst stiprāka aptuveni par 25%, paneļi kļūst daudz mazāk efektīvi, kad temperatūra pazeminās līdz mīnus 56 grādiem pēc Celsija, tieši tad, kad papildu enerģija būtu īpaši nepieciešama. Svarīgu sistēmu darbības nodrošināšanai sarežģītajos rīta un vakara periodos inženieri saskaras ar lielu izaicinājumu – sprieguma svārstību vadību, kas faktiski ir trīs reizes lielāka nekā parastajās zemes virsmas saules enerģijas iekārtās. Tas nozīmē, ka ir jāuzstāda speciāla aprīkojums, lai efektīvi apkarotu šīs straujās izmaiņas enerģijas izvadē.

Materiālu slodze un termiskā degradācija stratosfēriskos apstākļos

Stratosfēras balonos novērotās ekstremālās temperatūras var svārstīties līdz pat 165 grādiem pēc Celsija vienā dienā, kā rezultātā to polimēra apvalks katru dienu gandrīz divas reizes izstiepjas un saraujas. Šī pastāvīgā izplešanās un saraušanās ļoti ietekmē materiālus. Saskaņā ar pētījumu, kas publicēts žurnālā Aerospace Materials Review pagājušajā gadā, nodilums notiek aptuveni četras reizes ātrāk nekā parastajiem lidaparātiem, kas lido zemākos augstumos. Ir vēl viena problēma. Ap 50 000 pēdām, kur darbojas šie baloni, ultravioletais starojums ir tik intensīvs, ka fotovoltaisko elementu speciālās pretatspīduma pārklājumus sadala aptuveni 32 procentus ātrāk nekā parasti. Lai risinātu šo problēmu, inženieriem nācies pāriet uz izturīgākiem kvarta stikla laminātiem. Tomēr šie izturīgākie materiāli ir saistīti ar papildu izmaksām — tie sver par 9 kilogramiem vairāk uz kvadrātmetru. Šis papildu svars nav labs ziņojums tam, cik ilgi balons var palikt gaisā vai cik daudz kravas tas var pārvadāt.

Svārstība starp svaru un efektivitāti portatīvajos fotovoltaīkās sistēmās

Saskaņā ar 2022. gada MIT pētījumu, plānās kines filmas saules paneļi patiešām nodrošina aptuveni 21 procentu labāku enerģijas izmantošanu attiecībā pret svaru salīdzinājumā ar tradicionālajiem silīcija paneļiem, kas tos padara par lielisku izvēli ierīcēm, kurām jābūt vieglām. Tomēr ir viena problēma — tie ir diezgan trausli. Lai izturētu trakos reaktīvā straumes vēja brāzienus, kas var sasniegt 160 kilometrus stundā, šiem paneļiem nepieciešamas nopietnas pastiprinājuma konstrukcijas. Un tieši šeit projektētāji saskaras ar īstu problēmu — viena kilograma saules materiāla ietaupījums parasti nozīmē trīs papildu kilogramu pievienošanu kā balasta, lai uzturētu visu stabilitāti. Tas faktiski neitralizē lielāko daļu ieguvumu, ko mēs panākam, izmantojot šos jaunos materiālus.

Infrastruktūras, regulatīvās un operatīvās problēmas izvietošanā

Zemes atbalsta trūkums palaišanai un atgūšanai attālos apgabalos

Labākās vietas lietu izlaišanai parasti ir šīs attālās tuksnesis vai saulainie augstienes reģioni, kur ir daudz gaismas, bet gandrīz nekā cita. Lielākajā daļā šo vietu cauri neiet pienācīgas ceļi, nav hangāru un noteikti nav pietiekami daudz cilvēku, kuri zinātu, ko darīt, lai droši paceltu un atkal nolaistu lietas. Kad uzņēmumiem ir jāievada pagaidu bāzes, lai tur darbotos, tas ļoti ietekmē to budžetu. Mēs runājam par izmaksu pieaugumu no 40% līdz pat 60%. Kāpēc? Tāpēc ka tiem nepieciešama speciāla aprīkojuma, piemēram, lieli helija kompresori un vadības sistēmas, kas izgatavotas, lai izturētu smagas laika apstākļus. Nesen veikts stratosfēras operāciju aplūkojums 2023. gadā apstiprināja tieši šo problēmu. Un bez jebkādas pastāvīgas infrastruktūras klātbūtnes katrs atsevišķs uzdevums beigās maksā papildu naudu tikai iekārtošanai. Tas padara operāciju mērogošanu daudz grūtāku, nekā to vēlētos jebkurš.

Gaisa telpas regulējumi un starptautiskās lidojumu ierobežojumi

Saules baloni, kas lidinās aptuveni no 60 tūkstošiem līdz gandrīz 80 tūkstošiem pēdu augstumā, nonāk tieši šajā sarežģītajā gaisa telpā, kur pārklājas dažādi aviācijas noteikumi. ASV FAA atļauj dažus eksperimentālus līdzekļus saskaņā ar 101. pantu, taču Eiropā un Āzijā valdības parasti prasa īpašu atļauju katram lidojumam. Mēģinājumi pārvietot šos balonus pāri robežām rada vēl lielākas problēmas. Ņemot, piemēram, vides projektu Vidusjūras reģionā — tam bija jāiziet cauri sešu dažādu valstu apstiprināšanas procesiem, un visu kārtībā sakārtošanai aizgāja ne mazāk kā 14 garš mēneši. Visa šī birokrātija ļoti palēnina darbu tad, kad nepieciešamas ātras reakcijas, un pievieno milzīgu papīru kalnu, ar ko neviens negrib nodarboties.

Uzturēšanas grūtības augsta apgaismojuma, zemas pieejamības reģionos

Karstos klimatiskajās zonās saule ļoti iedarbojas uz materiāliem, ultravioletā starojuma izraisīta degradācija notiek aptuveni par 30% ātrāk nekā sākotnēji prognozēja ražotāji. Tas nozīmē, ka aizsargpārsegu kalpošanas laiks ievērojami saīsinās. Kad pienāk laiks remontēt šos saules paneļus vai ūdeņraža uzglabāšanas sistēmas, situācija kļūst vēl sarežģītāka, jo trūkst pietiekama skaita kvalificētu tehnisko speciālistu, turklāt daudzās vietās nav atbilstošas aprīkojuma inspekcijām, piemēram, dronu vai piemērotu helikopteru nolaišanās vietu. Saskaņā ar nozares pētījumu, kas tika veikts pagājušajā gadā, gandrīz 6 no 10 negaidītajiem apstādinājumiem notiek tādēļ, ka uzturēšana tiek atlikta sausajos reģionos. Un nevajadzētu aizmirst par visām tām smilšu vētrām, kas šķērso šos reģionus un vēl vairāk paātrina nodiluma procesu.

Ekonomiskā izdevīguma un politikas trūkums, kas kavē plašu pieņemšanu

Augstas sākotnējās izmaksas salīdzinājumā ar ilgtermiņa ieguldījumu atdevi

Saskaņā ar REN21 datiem no 2023. gada vidējai saules balona sistēmai darba uzsākšanai nepieciešami aptuveni 1,2 miljoni dolāru, kas ir apmēram divreiz vairāk nekā tradicionāliem uzraudzības dronim. Kaut arī šīm sistēmām nepieciešams degvielas un kopumā tās prasa mazāk apkopes, tomēr desmit gados tās kopumā ietaupa aptuveni 40 %. Bet te ir ķēpiņš — lielākā daļa valdības struktūru un regulatīvās aģentūras parasti koncentrējas uz savām nekavējoties pastāvošajām budžeta ierobežojumiem, nevis domā par ilgtermiņa ietaupījumiem. Protams, fotovoltaiskās baterijas kopš 2010. gada ir kļuvušas par gandrīz 90 % lētākas, taču dažas speciālizētas sastāvdaļas, piemēram, ūdeņradim izturīgi apvalki un tie modernie precizitātes lidojuma vadības sistēmas, joprojām ir dārgas, jo ražotāji tos vēl joprojām neražo pietiekami lielos daudzumos.

Atjaunojamām gaisa platformām trūkst valdības stimulu

Tikai aptuveni 12 procenti no valstīm ar A klases saules reģioniem faktiski piedāvā nodokļu atvieglojumus saules balonu izmantošanai, savukārt aptuveni divas trešdaļas finansiāli atbalsta tradicionālas zemes uzstādītas saules enerģijas iekārtas, liecina jaunākie 2024. gada Enerģētikas politikas pētījumi. Šīs atšķirības cēlonis? Lielākā daļa aviācijas noteikumu joprojām traktē saules balonus kā eksperimentālas ierīces, nevis likumīgu infrastruktūru. Ražotājiem šeit rodas nopietnas problēmas, jo tiem nav piekļuves pētniecības finansējumam vai ražošanas nodokļu atvieglojumiem, kādi ir pieejami vēja turbīnu un tradicionālo saules paneļu ražotājiem. Šāds finansiālais trūkums rada lielas grūtības uzņēmumiem, kuri cenšas palielināt ražošanas apjomus vai samazināt cenas, izmantojot ražošanas apjoma ekonomiju.

Piemērs: Neveiksmīgs saules balonu pilotprojekts Āfrikā dienvidos no Sahāras

Sauszemes uzraudzības projekts, kas tika palaists Mali 2022. gadā ar plānu izmantot 18 saules balonus, beidzās ar neveiksmi jau pēc astoņiem mēnešiem dažādu problēmu dēļ. Muitas ierēdņi uzlikuši šokējošus muitas nodokļus par 740 000 ASV dolāriem uz tām greznajām kompozītmateriālu partijām, kuras mums bija jāimportē, kas nopietni ietekmēja mūsu budžetu. Un, kad sākās tehniskās problēmas? Vietējo speciālistu, kas spētu remontēt šīs ūdeņraža šūnas, vienkārši nebija, tāpēc viena problēma pēc otras turpināja uzkrāties. Turklāt stingri lidojumu noteikumi nozīmēja, ka mēs varējām pārklāt tikai aptuveni 30% no sākotnēji plānotā novērošanas apgabala. Rezultātā šis viss maksāja aptuveni 2,6 miljonus ASV dolāru. Ko tas māca? Nauda viena pati nav pietiekama, pat ja šeit ikdienā spoži spīd saule. Mums ir vajadzīgs labāks plānošanas sadarbības līmenī starp dažādām iestādēm, pienācīgi apmācības programmas vietējiem iedzīvotājiem un gudrāki noteikumi, kas faktiski atbalsta projektus uz vietas, nevis tiem pretojas.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kādi ir saules balonu galvenie ieguvumi?

Saules baloni piedāvā izmaksu ziņā efektīvu un videi draudzīgu alternatīvu tradicionālām gaisa platformām, piemēram, pavadonītiem un dronēm. Tie var nodrošināt nepārtrauktu segumu klimata uzraudzībai un sakariem zemākās izmaksās, vienlaikus radot mazāk oglekļa dioksīda.

Kur tiek bieži izmantoti saules baloni?

Saules balonus bieži izmanto vidējās platuma joslas teritorijās, kur pastāv līdzsvars starp saulstaru apmēru un stabilitāti. Šajās teritorijās parasti ir labāka valdības atbalsts atjaunojamās enerģijas projektiem un eksistējoša tehniskā infrastruktūra.

Kādas ir saules balonu izmantošanas problēmas augsta saules apmēra reģionos?

Reģionos ar augstu saules apmēru saules balonu izmantošanai rodas grūtības, piemēram, liels vēja ātrums, kas ietekmē stabilitāti, un intensīvs saules gaismas apmērs, kas izraisa ātrāku materiālu novecošanos. Šie faktori veicina saules balonu ierobežotu izmantošanu šādos reģionos.

Kāpēc saules balonus uzskata par eksperimentāliem?

Saules baloni bieži tiek klasificēti kā eksperimentāli, jo tos skar aviācijas noteikumi un trūkst valdības stimulu, salīdzināmi ar tradicionālajām atjaunojamās enerģijas tehnoloģijām, kas rada šķēršļus plašai izplatībai.