Почему в некоторых регионах наблюдается низкий уровень внедрения солнечных шаров, несмотря на высокую солнечную активность?

Понимание технологии солнечных шаров и их потенциала в приложениях на большой высоте

Что такое солнечный шар и как он использует солнечную энергию?

Солнечные шары поднимаются вверх, когда солнечный свет нагревает воздух внутри их лёгких прозрачных оболочек. Тёплый воздух расширяется и становится легче окружающего, поэтому шар естественным образом поднимается без необходимости сжигания топлива. Более новые версии развивают эту базовую идею, добавляя солнечные панели непосредственно на поверхность шаров. Эти панели вырабатывают электричество для питания таких устройств, как GPS-трекеры, радиосвязное оборудование и различные датчики во время полёта. Некоторые испытания показали, что специальные конструкции стратосферных шаров могут получать до 500 ватт на квадратный метр солнечной энергии в момент максимальной интенсивности, согласно исследованию, опубликованному в 2017 году Лю и другими. Сочетание подъёмной силы за счёт нагрева и генерации электричества от солнечного света позволяет этим шарам оставаться в воздухе значительно дольше без необходимости повторного запуска или дозаправки.

Роль конфигурации фотогальванического массива в стратосферных летательных аппаратах

То, насколько хорошо работают солнечные шары, во многом зависит от того, куда мы размещаем фотоэлектрические панели, стремясь найти правильный баланс между распределением веса, обтеканием воздухом и обеспечением достаточного попадания солнечного света. Большинство людей устанавливают тонкоплёночные солнечные элементы либо по спиральным, либо по плиточным схемам по всей внешней поверхности шара. Такая конструкция позволяет максимально эффективно использовать солнечный свет, не создавая чрезмерной нагрузки на материал. Согласно некоторым исследованиям, опубликованным в журнале Renewable Energy в 2020 году, наклон этих панелей примерно на 15–20 градусов в сторону наивысшего положения солнца увеличивает их энерговыработку примерно на 12–18 процентов по сравнению с горизонтальной установкой. Именно такие продуманные проектные решения играют ключевую роль в обеспечении стабильного энергоснабжения по мере подъёма шара в небо и при прохождении дневных и ночных циклов, когда постоянно меняются освещение и погодные условия.

Преимущества солнечных шаров по сравнению с традиционными воздушными платформами

Солнечные шары представляют собой более дешевую и экологичную альтернативу дорогостоящим спутникам и шумным беспилотникам с двигателями внутреннего сгорания, которые повсюду встречаются в наши дни. Эти устройства могут парить на высоте около 20–25 километров в течение нескольких недель подряд, обеспечивая непрерывное наблюдение за нашей планетой, отслеживание изменений климата и даже помогая в передаче сигналов связи. Исследование прошлого года показало, что использование солнечных шаров позволяет сократить расходы примерно на 60 процентов по сравнению с запуском аппаратов на низкую околоземную орбиту. Кроме того, они выделяют почти на 700 граммов меньше углекислого газа на киловатт-час по сравнению с обычными беспилотниками. Их высокая эффективность обусловлена простой конструкцией, позволяющей им перемещаться по воздушным потокам в стратосфере, благодаря чему им требуется минимальная энергия для поддержания полета, что увеличивает срок их автономной работы до тех пор, пока не потребуется обслуживание.

Географическое несоответствие: регионы с высоким уровнем солнечного света при низком уровне развертывания солнечных шаров

Выявление парадокса: высокая инсоляция, но ограниченное использование

Несмотря на обилие солнечного света, районы вблизи экватора и засушливые пустынные регионы, где среднесуточная освещённость составляет около 5–6 кВт·ч на квадратный метр, составляют менее 12 процентов всех установок солнечных шаров в мире. Это существенно отличается от наземной практики, где традиционные солнечные электростанции внедряются примерно на 67 процентов активнее именно в этих солнечных районах. Почему наблюдается такой большой разрыв? Дело в ряде реальных трудностей. Ветер на большой высоте может достигать очень высокой скорости — более 120 километров в час, что затрудняет стабильность шаров. Кроме того, солнечный свет в этих местах настолько интенсивен, что специальные покрытия солнечных панелей изнашиваются почти на 40 процентов быстрее по сравнению с более прохладными регионами мира.

Анализ солнечной радиации в сравнении с текущими тенденциями развертывания

Из 22 стран, где солнце светит по крайней мере 2800 часов в год, только в восьми на самом деле действуют проекты солнечных шаров. Большинство этих воздушных шаров заканчивается в местах вокруг средних широт, где есть приличное, но не чрезмерное солнечное освещение (около 3-4 кВт/ч на квадратный метр). В этих районах, как правило, лучше поддерживается правительство для возобновляемых источников энергии и уже существующие технические системы для поддержки таких проектов. Посмотрите на места испытаний в этих умеренных зонах, они держат свои воздушные шары в воздухе около 85% времени, хотя они производят примерно на 18% меньше энергии по сравнению с аналогичными установками вблизи экватора. Похоже, стабильность имеет приоритет перед сжатием каждой капли солнечной энергии, когда речь идет о реальных приложениях.

Технические барьеры для надежной интеграции солнечной энергии в воздушные шары

Управление колебаниями энергии во время восхождения и дневных циклов

Показатели фотоэлектрических панелей падают примерно на 47% по мере их роста из-за того, как быстро меняются температуры, согласно исследованиям Национальной лаборатории возобновляемой энергии в 2023 году. Там, на высоте около 20 километров, даже если солнечный свет становится сильнее примерно на 25%, панели становятся гораздо менее эффективными, когда холодно до минус 56 градусов по Цельсию, когда действительно нужна дополнительная энергия. Чтобы поддерживать работу важных систем в трудные утренние и вечерние периоды, инженерам приходится справляться с колебаниями напряжения, которые в три раза больше, чем в обычных наземных солнечных установках. Это означает, что необходимо установить специальное оборудование для эффективного управления этими дикими колебаниями мощности.

Нагрузка на материалы и тепловая деградация в стратосферных условиях

Экстремальные температуры, которые испытывают стратосферные воздушные шары, могут колебаться до 165 градусов Цельсия всего за один день, что заставляет их полимерную кожуру растягиваться и сжиматься почти два раза в день. Все это постоянное расширение и сокращение действительно наносит ущерб материалам. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Aerospace Materials Review в прошлом году, износ происходит примерно в четыре раза быстрее, чем в обычных самолетах, летающих на меньших высотах. И есть еще одна проблема. На высоте около 50 000 футов, где эти воздушные шары работают, ультрафиолетовое излучение достаточно интенсивно, чтобы разрушить специальные антиотражающие покрытия на фотоэлектрических элементах примерно на 32 процента быстрее, чем обычно. Чтобы справиться с этой проблемой, инженеры перешли на более прочные ламинированные кварцевые стекла. Но эти более прочные материалы стоят дорого - они весили дополнительно 9 килограммов на квадратный метр. Этот дополнительный вес не является хорошей новостью для того, как долго воздушный шар может оставаться в воздухе или сколько груза он может нести.

Балансирование веса и эффективности в портативных фотоэлектрических системах

Согласно исследованию MIT в 2022 году, тонкопленочные солнечные батареи на 21% лучше используют энергию на вес по сравнению с традиционными кремниевыми, что делает их идеальными для вещей, которые должны быть легкими. Но есть одна уловка, они довольно хрупкие. Чтобы справиться с этими сумасшедшими порывами струи, которые могут достигать 160 километров в час, эти панели нуждаются в серьезных укреплениях. И здесь дизайнеры сталкиваются с реальной проблемой: экономия всего одного килограмма солнечного материала обычно означает добавление дополнительных трех килограммов веса в качестве балласта, чтобы сохранить стабильность. Это отменяет большую часть того, что мы получаем от использования этих новых материалов.

Инфраструктурные, нормативные и операционные проблемы внедрения

Отсутствие наземной поддержки для запуска и восстановления в отдаленных районах

Лучшие места для запуска вещей, как правило, в этих отдаленных пустынных районах или солнечных плато, где много света, но почти ничего другого. Большинство этих мест не имеют надлежащих дорог, не имеют ангаров, и, конечно, недостаточно людей, которые знают, что они делают, когда дело доходит до безопасного подъема и спуска вещей. Когда компаниям нужно создать временные базы, чтобы работать там, это действительно ест их бюджет. Мы говорим о скачках в стоимости от 40% до 60%. - Почему? - Почему? Потому что им нужно специальное оборудование, например, эти большие гелийные компрессоры и системы управления, которые выдерживают суровые погодные условия. Недавний анализ стратосферных операций в 2023 году подтвердил эту проблему. И без постоянной инфраструктуры какая-то миссия в конечном итоге стоит больше денег только на установку. Это делает масштабирование операций намного сложнее, чем кто-либо хотел бы.

Правила воздушного пространства и ограничения по трансграничным полетам

Солнечные воздушные шары, летающие от 60 000 до почти 80 000 футов, заканчиваются прямо в этом сложном воздушном пространстве, где различные авиационные правила перекрываются. FAA разрешает некоторые экспериментальные вещи в соответствии с Частью 101 для людей в Америке, но в Европе и Азии правительства стремятся получить специальное разрешение на каждый полет. Попытка перевезти эти шарики через границы только создает больше головных болей. Возьмем, к примеру, этот экологический проект в Средиземноморье, им пришлось пройти через процедуры одобрения в шести разных странах, и им потребовалось не менее 14 длинных месяцев, чтобы все уладить. Вся эта бюрократия действительно замедляет работу, когда требуются быстрые ответы и добавляет тонны бумажной работы, с которой никто не хочет иметь дело.

Трудности с обслуживанием в районах с высоким уровнем солнечного света и низкой доступностью

Солнце действительно наносит ущерб материалам в жарком климате, причем УФ-разложение происходит примерно на 30% быстрее, чем изначально предполагали производители. Это означает, что срок службы защитных оболочек значительно сокращается. Когда приходит время ремонта солнечных панелей или систем хранения водорода, всё становится еще сложнее, потому что нет достаточно квалифицированных техников, а также во многих местах нет надлежащего оборудования для инспекций, таких как дроны или подходящие места посадки вертолетов. Согласно исследованию отрасли, проведенному в прошлом году, почти 6 из 10 неожиданных остановок происходят из-за отсрочки технического обслуживания в сухих районах. И не забывайте о песчаных бурях, дующих по этим регионам, что только ускоряет процесс износа еще больше.

Экономическая жизнеспособность и политические пробелы препятствуют широкому распространению

Высокие первоначальные затраты и долгосрочная отдача от инвестиций

Средняя система солнечных шаров требует около 1,2 миллиона долларов для запуска, согласно данным REN21 от 2023 года, что примерно в два раза больше, чем стоимость традиционных беспилотных летательных аппаратов. Несмотря на то, что эти системы не требуют топлива и требуют меньшего содержания в целом, они все равно в конечном итоге экономить около 40% от общей стоимости после десяти лет. Но вот в чем ловушка. Большинство государственных органов и регулирующих органов склонны сосредоточиться на своих непосредственных бюджетных ограничениях, а не думать об экономии в долгосрочной перспективе. Конечно, цены на фотоэлектрические батареи снизились почти на 90% с 2010 года, но некоторые специализированные детали, такие как водородно-устойчивые оболочки и эти фантастические системы точного управления полетом, остаются дорогими, потому что производители просто не производят их в достаточно больших количествах.

Отсутствие государственных стимулов для возобновляемых воздушных платформ

Только около 12 процентов стран, которые могут похвастаться солнечными регионами класса А, фактически предоставляют налоговые льготы за развертывание солнечных воздушных шаров, тогда как примерно две трети предлагают финансовую поддержку для традиционных наземных солнечных установок согласно последним результатам энергетической Почему этот пробел? Большинство авиационных правил продолжают рассматривать солнечные воздушные шары как экспериментальные гаджеты вместо законной инфраструктуры. Производители сталкиваются с серьезными проблемами, поскольку они не получают доступ к финансированию исследований или налоговым льготам на производство, аналогичным тем, которые получают производители ветровых турбин и производители традиционных солнечных панелей. Отсутствие финансовой поддержки затрудняет компании, пытающиеся увеличить объемы производства или снизить цены за счет экономии масштаба.

Случайный случай: Неудачный пилот солнечного воздушного шара в Африке к югу от Сахары

Проект мониторинга засухи, запущенный в Мали в 2022 году с планами на 18 солнечных воздушных шаров, в итоге потерпел неудачу всего через восемь месяцев из-за различных проблем. Таможенные чиновники обложили пошлинами на $740 000 этими дорогими композитными материалами, которые мы импортировали, что действительно истощило наш бюджет. А когда все начало сломаться? Там просто не было местных техников, которые знали, как починить эти водородные элементы, так что одна проблема за другой продолжала накапливаться. Кроме того, строгие правила полета означали, что мы могли охватить только около 30% того, что мы изначально хотели отслеживать. В конце концов, вся эта путаница обошлась примерно в $2,6 млн. Чему это нас учит? Одни только деньги не достаточно даже если солнце светит ярко каждый день в этих местах. Нам нужно лучшее планирование между различными агентствами, надлежащие программы обучения местных жителей и более умные правила, которые действительно работают с проектами на местах, а не против них.

Раздел часто задаваемых вопросов

Каковы основные преимущества солнечных воздушных шаров?

Солнечные шары предлагают экономичную и экологически чистую альтернативу традиционным воздушным платформам, таким как спутники и дроны. Они могут обеспечивать непрерывное покрытие для мониторинга климата и связи при меньших затратах и с меньшим выделением углекислого газа.

Где обычно развертывают солнечные шары?

Солнечные шары часто развертываются в районах со средними широтами, где достигается баланс между освещенностью и устойчивостью. Как правило, эти регионы получают более высокую государственную поддержку в реализации проектов возобновляемой энергетики и обладают существующей технической инфраструктурой.

Каковы трудности развертывания солнечных шаров в регионах с высоким уровнем солнечного света?

В регионах с высоким уровнем солнечного света развертывание солнечных шаров сталкивается с такими трудностями, как высокая скорость ветра, влияющая на устойчивость, и интенсивный солнечный свет, вызывающий более быструю деградацию материалов. Эти факторы способствуют ограниченному использованию солнечных шаров в таких регионах.

Почему солнечные шары считаются экспериментальными?

Солнечные шары часто классифицируются как экспериментальные из-за пересекающихся авиационных нормативов и отсутствия государственных стимулов, подобных тем, которые существуют для традиционных возобновляемых технологий, что создает препятствия для их широкого внедрения.