牛人自制高强度杆件欲实现高空光伏发电

考虑到使用的安全按制作钢丝绳钢材抗拉强度的50％设计的杆件在不考虑管内高压流体重量及外力影响并且下部基础稳定的前提下可独自直立5500米的高度，此杆件在1000米的高度时可承受30.6吨的重量载荷；以1500KW风力发电机组总重为91吨计约需要3根本文举例的钢管即可将其安装在1000米的高空运行。此时发电机塔架的钢材消耗量为20.4吨相当于目前同样风力发电机组安装在62米高时塔架的钢材消耗量1/4以下。　　

按制作钢丝绳钢材最大抗拉强度70％设计的杆件在不考虑管内高压流体重量及外力影响并且下部基础稳定的前提下将总重为91吨的1500KW风力发电机组安装在5000米高度时按本设计将使用5根5000米的φ60×5mm、材质为制作钢丝绳钢材的无缝钢管，消耗钢材约为170吨。而此时发电机塔架的钢材消耗量仍低于目前90米高度同类型风力发电机组的塔架钢材消耗量（174吨）。　　

根据目前掌握的风力资源信息在地面大约80米的高空风速达到每秒5米时，在800米的高空，风速将上升到每秒7米，风能为80米高度2.7倍，同时相同地点随着高度的升高风能的能量密度将会更大。而本文的技术几乎可以将地球上5000米高空以下有价值的风能全部得以利用，全球可开发利用的风能总量可以扩大到目前科技水平认可的100倍以上；因此地球上可开发利用的风能资源将远远大于目前人类的全部能源需求。如果本技术得以实现将有可能彻底解决人类的能源危机问题。　由于高空风能的密度相对较大且更为稳定因此安装在高空的风力发电机组的平均单位时间发电量将会更多且年发电时间更长，按本设计安装的高空发电机组的投资与目前同类机组相当，因此高空风能发电成本将会低于目前使用的100米以下高度塔架风力发电机组的发电成本。　　

有人设计了高度为1000米的太阳能搜集塔，其设计的主要结构为一个高度为1000米、直径为130米的烟囱，下部周围覆盖直径7000米的温室遮篷。在阳光充足的前提下，太阳能搜集塔顶部空气温度为20℃时，在地面温室遮篷内的空气可达到70℃（空气体积增加量为17％），此时热空气将以约55公里/小时速度沿着太阳能搜集塔上升，安装在塔内的32个旋转的涡轮将生产出最大20万千瓦电能。尽管在这种工作状态下，太阳能塔转换为电能的效率仅不足太阳能电池板的十分之一（即热效率小于1.4％）。但是太阳能塔的优势是更易维持，成本更低。实际上此设计的难点是1000米或更高太阳能塔的制作成本太大，依据2005年产业报告，具有20万千瓦电能生产能力的太阳能塔的建造需要10亿美元，这意味着每千瓦小时的成本为20美分。

采用本文的技术制作太阳能塔只要将比重低抗拉强度较大的柔性材料制作成内、外壁相连且互通外壁为双层的圆形烟囱结构。使用时依靠数根1000米高度以上本文设计的独立钢管的辅助在太阳能塔内、外壁之间夹层充满空气太阳能塔即可达到1000米或更高的设计高度，根据天气预报当外界环境恶劣时将太阳能塔夹层的空气排出即可保证太阳能塔的安全。而将太阳能塔的材料直接悬挂在数根独立的1000米以上高度的钢管上制作太阳能塔的设计也是同样可行的。如果采用13607根按本文设计的φ30×2mm普通16Mn钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为1000米直径为130米的太阳能塔的建造仅需要约0.5亿美元。　　

如果采用13607根按本文设计形式的φ30×2mm、制作钢丝绳钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为5500米、直径为130米的太阳能塔。将使用约203500吨钢管，按每吨无缝钢管15000元人民币计太阳能塔的制作的最大成本为30.5亿元人民币，约为4.8亿美元。直径7公里的温室遮篷的成本按80元人民币/平方米考虑约需要34.3亿元人民币。按每上升1千米空气温度下降6.5℃计算此时5500米高空的温度为零下15℃， 此时太阳能塔上下温差为85℃。为原设计的1.7倍，太阳能塔高度为原设计的5.5倍，考虑到5500米高空的空气密度约为地面的一半实际涡轮出口的压力差达到原设计的7倍，此时涡轮入口风速将达到105公里/小时，系统满负荷发电能力为原设计的7倍达到140万千瓦。　　发电设备按1500元人民币/千瓦计。合计设备投资6140元人民币/千瓦相当于火力发电厂的设备投资，远低于国家规定的同样为利用太阳能发电的光伏电发电设备补助每千瓦20000元人民币的标准。　　

由于地面与5500米高空有35℃的温差不采用温室遮棚加热时太阳塔内涡轮前后将产生350公斤/平方米的压力差，每立方米空气的作功能力为350公斤·米，按塔内的空气流速2米/秒计算，此时系统内可产生9300000公斤·米/秒的发电能力约9万千瓦。每千瓦设备投资34000元人民币，按每千瓦设备年发电为7200度计算，系统使用寿命按20年计算，发电成本为0.24元人民币/度左右。考虑到高空风力的影响及制作太阳能塔的钢管密度可以降低到300 mm间距一根，发电成本为0.03元人民币/度左右。　　

5500米太阳能塔系统采用温室遮棚加热时系统满负荷发电时间按3000小时/年计算，温室遮棚不工作时发电时间按4200/年小时计算，每千瓦设备年发电为3270度，发电成本为0.094元人民币/度左右。　　

将热机的低温热源安装在5500米高空利用其与地面35℃的温差发电也是可以考虑的方案。　　

考虑到现有技术5500米太阳能塔的基础制作困难较大，即使采用斜拉方式稳定太阳能塔也将因高空风力大产生较大的困难，因此利用太阳能塔发电应以高度为1000米太阳能塔为起点。　　

如果采用54428根按本文设计的φ30×1mm、材质为16Mn钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为1000米、直径为520米的太阳烟塔，将使用约74000吨钢管，按每吨16Mn钢材的无缝钢管8500元人民币计太阳能塔的制作的最大成本为6.3亿元人民币；不采用温室遮棚加热直接利用1000米高空与地面6.5℃的温差发电，太阳塔内涡轮前后将产生14公斤/平方米的压力差，每立方米空气的作功能力为11.5公斤·米，太阳能塔内涡轮前将产生约4.2米/秒的风速，太阳能塔内涡轮后方的空气流速为2米/秒，空气通过涡轮后每32000立方米空气生产1度电能，每秒通过涡轮的空气量为425000立方米。涡轮布置在太阳烟塔下约50米高的空气入口处，考虑到太阳能塔顶部高空风力的正面影响系统平均发电能力大于4.5万千瓦。设备投资15500元人民币/千瓦。按每千瓦设备年发电为7920度计算（年发电11个月），发电成本为0.1元人民币/度左右。将制作太阳能塔的钢管密度降低到300 mm一根，周围用普通的轻质密封隔热材料封闭，太阳能塔的造价可降低到1亿元人民币以内。设备投资3720元人民币/千瓦。发