Af hverju sýna sum svæði lágri viðurkenningu á sólarballónum, þrátt fyrir mikla sólarljós?

Að skilja sólblöðrur og möguleika þeirra í forritum á háhæðum

Hvað er sólblöðru og hvernig nýtir hún sólarorku?

Sólblöðrur mynda lyftu þegar sólarljósið hitar loftið inni í ljósum, gegnsæjum umhverfi sínum. Hitna loftið verður stærri og léttara en kringliggjandi loft, svo blöðrun flýtur sjálfkrafa upp án þess að þurfa að brenna nein bögg. Nýrri útgáfur taka þessa grunnhugmynd enn frekar fram með því að setja sólarplötu beint á þær. Þessar plötur framleiða rafmagn til að keyra hluti eins og GPS-fylgingu, útvarpsfjarskiptatækni og ýmsar sensora á meðan þær eru í lofinu. Sumar prófanir sýndu að sérstakar hönnunargerðir fyrir stratosfærisblöðrur gátu í raun fengið allt að 500 vatt á fermetra af sólinni á hámarki samkvæmt rannsóknum sem birtar voru árið 2017 af Liu og öðrum. Með því að sameina bæði hitabyggða lyftu og rafmagnsgenergeringu frá sólartreguni geta þessar blöðrur verið í lofinu í langt lengri tímabil án þess að einhver þurfi að koma upp og endurfylla neitt.

Hlutverk hliðrunar á rafgeislavöllum í stratosfærisfar

Hversu vel sólarflöskur virka kemur mjög á staðsetningu PV-panela að baki, og reynslan er að finna rétta jafnvægi milli vægstyrðingar, hvernig loftið flæðir utan um þær og að tryggja að þær fái nægilega mikið af sólarenda. Flerum er til skilað að setja plötu sólarfrumur í spíralform eða flísalíkum mynstrum allt yfir ytri lag flöskunnar. Þessi uppsetning hjálpar til við að ná hámarki af sólárframlagi án þess að setja of mikla álag á efnið sjálft. Samkvæmt einhverjum rannsóknum úr Renewable Energy frá árinu 2020, aukist orkupróduktin um 12 til 18 prósent með því að halla þessum pönum um 15 til 20 gráður í átt að þar sem sólin er hæst, miðað við að leggja þá flatir. Slíkar vitrúnar hönnunarbreytingar gera mikinn mun fyrir að halda orkuforlaginu stöðugt á meðan flöskurnar fara í loftið og halda áfram í dag- og nóttlykli þegar lýsingarbreytingar og veðursvæði breytast stöðugt.

Ávinningar sólarflöskra á undan hefðbundnum loftplatformum

Sólblöðrur bjóða fram kosta- og umhverfisvænari lausn í samanburði við dýrri samskiptahverfi og þá hávaða drónu sem brenna kolefni og eru nú alls staðar. Þessi tæki geta flætt á hæðum á bilinu 20 til 25 km í margar vikur í röð, og veita þar með varanlega umfjöllun um jörðina, fylgja með loftslagsbreytingum og jafnvel styðja við samskiptatölvur. Rannsókn frá fyrra ári sýndi að innleiðing sólblöðru minnkar kostnað um allsherjar 60 prósent í samanburði við að setja tæki á lægri jörðuumferð. Auk þess, framleiða þær um 700 grömm færra kolefnisoxíð fyrir hvern kilóvattklukkustund en venjulegar drónur. Aðalástæðan fyrir að þær eru svo ávöxtunarríkar er einfalda hönnunin sem gerir þeim kleift að sigla með vindstraumum í efri stratosfæru, sem þýðir að þær þurfa mjög lítið orku til að halda sig í loftinu, og þar með lengja hversu lengi þær geta verið í notkun áður en viðhald er krafist.

Landfræðileg missamræmi: Svæði með mikla sólarljósi en lágri útsetningu sólblöðru

Að greina mótsögnina: Há insóla en takmörkuð nýting

Þó að svæðin fái margt af sólarskinu, svo sem jafnhlið og þurra eyðimörk þar sem daglega sólarljós meðaltalið er um 5 til 6 kWh á fermetra, standi aðeins fyrir minna en 12 prósent af öllum uppblásnum sólarflögum í heiminum. Þetta er nokkuð frábrugðið því sem má sjá á jörðu, þar sem hefðbundnar sólrorkuvöxtur eru notaðar í um 67 prósent hærri hlutfalli á sömu sólufyllta svæðum. Af hverju er slíkt stórt bil? Vel, eru nokkrar raunverulegar áskorunar. Vindurinn hátt uppi getur orðið mjög hratt, oft yfir 120 km/klst, sem gerir það erfitt að halda flögunum stöðugum. Auk þess er sólin niðri svo ótrúlega öflug að sérstakar loðningar á sólarplötum slitast næstum 40 prósent hraðar en í kaldari hlutum heimsins.

Greining á sólargjöf miðað við núverandi útbyggingartilhneigingar

Af 22 löndum sem fá að minnsta kosti 2.800 sólklukkutíma á hverju ári er aðeins fjórtán með raunveruleg verkefni í gegnum loftslagsballónum í gangi í augnablikinu. Flestir þessir ballónar enda í svæðum um miðbreiddirnar þar sem sólarljósið er viðmiðanlegt en ekki mjög sterkt (um 3 til 4 kWh á fermetra). Þessi svæði eru oft með betri stjórnunarstuðningi við endurnýjanlega orku og eiga fyrir sér staðlað kerfi sem styður slík verkefni. Skoðum prófunarstaði í þessum hálfgildum svæðum, þar eru ballónarnir í loftinu um 85% af tímabilinu, jafnvel þó að þeir framleiði um 18% minna orku samanborið við svipuð sett upp nálægt jöfnunni. Virðist eins og stöðugleiki sé settur fremur en að nýta sér hverja einustu dropa af sólblakinu í raunverulegum forritum.

Tæknilegar hindranir fyrir traustri samþættingu sólrorku á ballónum

Stjórnun orkubragða við hækkun og daglegar lotur

Afköstum sólarplötu fellur um allt að 47% þegar þær hægja í loftinu vegna hraða sem hitastig breytist samkvæmt rannsóknum frá National Renewable Energy Lab úr árinu 2023. Þarna uppi, á um 20 km hæð, jafnvel þó að sólarskini verði rúmlega 25% sterkara, verða plötur mun minna áhrifamiklar við frostkalt að mínus 56 gráður Celsius rétt þegar aukin aflvöxtun væri sérstaklega nauðsynleg. Til að halda mikilvægum kerfum gangandi á milli erfiðu morgna- og kveldatímans standa verkfræðingar frammi fyrir verkefni með að stjórna spennuskellunum sem eru í raun þrífaldar þeim sem koma fyrir í venjulegum jarðsettum sólorkukerfum. Þetta gerir nauðsynlegt að setja inn sérhæfna búnað til að takast á við þessar miklu breytingar á aflframleiðslu á öruggan hátt.

Efnaþrýstingur og hitaeyðing í stratosfárskilyrðum

Hámarkshiti sem stratosfærisballónur verða fyrir getur breyst allt að 165 gráður í einum degi, sem veldur því að polymerhúð þeirra strekkist og krimpst næstum tvisvar á dag. Allt þetta varanlega út- og innrifning leggur mikla álag á efni. Samkvæmt rannsóknum birtum í Aerospace Materials Review í fyrra fer slitaslysið um fjórum sinnum hraðar en við sjáum í venjulegum loftföstum sem fljúga á lægri hæð. Og er einnig annar vandamál. Nálægt 50.000 fótum, þar sem þessar ballónur starfa, er útrásandi geislunin nógu öflug til að brjóta niður sérstök andspjallandi efni á sólarhleðslum frumum um 32 prósent hraðar en venjulega. Til að leysa þennan vanda hafa verkfræðingar verið nauðsynjaðir til að fara yfir á harðari laminat af kvarsygju. En þessi sterkri efnisflokkur fer með kostnað - þau vega 9 kg meira á fermetra. Þessi auknivægi er ekki gott frétt fyrir hve lengi ballónan getur verið í lofinu né fyrir hversu mikið hún getur flutt af hleðslu.

Jafnvægi milli vega og ávöxtunar í flytjanlegum sólarorkugerðum

Samkvæmt rannsóknum frá MIT árið 2022, gefa þunnfilmarsólpanel um 21 prósent betri orku á veginn samanborið við hefðbundin silikónpanel, sem gerir þau að ódýrlegum kosti fyrir hluti sem þurfa að vera léttir á fótunum. En hér er hnökvið: efnið er nokkuð brjótbart. Til að standa móti villilegum vindgústum úr jetstraumi sem geta náð 160 km/klst. þarf gerðin sterka undirstöðu. Hér kemur hönnuðurinn í raunverulega vanda: að spara einungis einn kílógramm af sólarefni fer venjulega með þremur aukakílóum af ballasti til að halda öllu í jafnvægi. Það veitir mest virkt upphafið á því sem vinst úr notkun nýju efnanna.

Undirstöðuþróun, reglugerðar- og rekstraráskoranir við útsetningu

Vantar jarðvegsstuðning fyrir flug- og endurviðtöku í fjarlægum svæðum

Besta stađurinn til ađ losa ūessu er oftast ūessi fjarlæg eyðimörk eða sólríku svæđi ūar sem er fullt af ljósi en næstum ekkert annað. Flestir þessara staða eru ekki með vegum sem ganga í gegnum þá, engin flugstöðvar sem standa í kringum og vissulega ekki nóg af fólki sem veit hvað það er að gera þegar kemur að því að koma hlutum upp og niður á öruggan hátt. Þegar fyrirtæki þurfa að setja upp tímabundnar stöður bara til að starfa þar, það borðar í fjárhagsáætlun þeirra. Viđ erum ađ tala um kostnaðarstökk allt frá 40% allt upp í 60%. Af hverju? Ūví ūeir ūurfa sérbúnađ eins og ūessa stóru helíumþjöppara og stýrikerfi sem eru byggđ til ađ standast hörð veðurskilyrði. Nýleg skoðun á starfsemi í steypuáætluninni árið 2023 staðfesti nákvæmlega þetta vandamál. Og án þess að hafa einhverja stöðugt innviđræði þegar á staðnum, hver einni verkefni endar kosta aukinn pening bara fyrir uppsetningu ein. Þetta gerir stækkun aðgerðir miklu erfiðari en allir vilja.

Loftslagsreglur og flugbannsgrensisfyrirheit

Sólarflöskur sem fljúga á hæð frá um 60 þúsund til næstum 80 þúsund fót hitta nákvæmlega þetta viðkvæma loftslag þar sem mismunandi flugreglur skerast. FAA heimillar sumar tilraunarkerfi undir kafla 101 fyrir íbúa Bandaríkjanna, en í Evrópu og Asíu vilja stjórnvöld venjulega sérstakar leyfisumsóknir fyrir hvert flug. Að reyna að fá þessar flöskur yfir landamæri veldur aðeins fleiri erfiðleikum. Taka má sem dæmi umhverfisverkefni í Miðjarðarhafinu þar sem liðið varð að fara í gegnum samþykktarferli sex mismunandi ríkja og það tók ekki minna en 14 langar mánuði að lagfæra allt. Allan þennan ramma af reglum hægir mikið á ferlinu þegar fljótar viðbrögð eru nauðsynleg og bætir við mikilli mörgu skrifvinnu sem enginn vill vinna með.

Viðhaldsvarnir í hábjarta, lága-aðgengilegum svæðum

Sólin gerir mikla áhrif á efni í hitaeðlum, þar sem UV-afbrotnun fer fram um 30% hraðar en framleiðendur upprunalega áttu von á. Þetta þýðir að notkunartími verndarskýrtinga stytist mikið. Þegar kemur að viðgerð solpanela eða vetnisloðkerfa verða hlutirnir enn erfiðari vegna þess að ekki eru nógir hæfir teknikarar, auk þess að margir staðir vanta viðeigandi búnað til yfirferða eins og drónur eða viðeigandi lendingu fyrir helíkoptur. Samkvæmt atvinnugreinarannsókn frá fyrra ári, áttu næstum 6 af 10 óbreyttum stöðvunum sér stað vegna þess að viðhald var afturfreist. Og skulum ekki gleyma öllum þeim hrynjuvindum sem blása um svæðin og auka einungis slitaskeytin áfram.

Hagleg framkvæmdanæmi og vandamál í stefnu sem hindra víðtækri útbreiðslu

Hár upphaflegur kostnaður miðað við langtíma arð á fjárfestingu

Samkvæmt gögnum frá REN21 frá árinu 2023 þarf meðalstórt sólarfljúgþotukerfi að lokum um 1,2 milljón dollara til að komast af stað, sem er um tvöfalt meira en hefðbundin eftirlitsdronur myndu kosta. Jafnvel þótt þessi kerfi þurfi ekki brenniefni og kalli á minni viðhald í heildina, spara þau samt að meðaltali um 40% af heildarkostnaði eftir tíu ár. En hér kemur vandamálið: flest opinber stofnanir og umboðsveitir leggja áherslu á takmörkun á ströntum fyrir hagnýt áherslum frekar en að hugsa um langtímasparnaðinn. Auðvitað hafa verð á sólarhöggspjöldum fallið um næstum 90% frá árinu 2010, en sum sérhæfð hlutar eins og vetnisandstaðnir poka og flottar nákvæmar flugstýringarkerfi eru enn dýr, vegna þess að framleiðendur framleiða þá ekki í nógu miklum magni ennþá.

Vant á styrktarumsjónarmálum frá stjórnvöldum fyrir endurnýjanlegar loftplatformur

Aðeins um 12 prósent þeirra landa sem hafa sólarhverfi af flokki A bjóða skattafslátt fyrir uppsetningu sólarglópúða, en um þriðjunginn býður upp á fjárhagsstyrð fyrir hefðbundin jarðsett sólarorkustöðvar samkvæmt nýjustu niðurstöðum orkupolítíku ársins 2024. Hvað er orsakinn að bakvið þessa mun? Flest öflugreglur meðal annars halda enn áfram frammi af sólarglópúðum sem tilraunarbundnum tækjum í stað löglegs undirlags. Framleiðendur stást frammi framar á alvarlegum áskorunum hér þar sem þeir fá ekki aðgang að rannsóknargjöldum né framleiðsluskattafslöggjum á borð við þau sem veitt eru framleiðendum vindvélta og hefðbundinna sólarplötuframleiðenda. Þessi vandamál við fjárhagslega stuðning gerir fyrirtækjum mjög erfitt fyrir að auka framleiðslutölur eða draga niður verðið með körfubréttunum.

Tilvikssaga: Misheppnaður prófunartímabil með sólarglópúðum í Undir-Saharan-Afríku

Þurðaeftirlitsverkefnið sem hófst í Malí árið 2022 með áætlun um 18 sólarfljúguföt endaði í skeisn eftir aðeins átta mánuði vegna ótal vandamála. Tollstjórar lagðu á ótrúlega háar tollgjöld, sem náðu 740.000 dollurum, á þau flottu samsettu efni sem við vorum að flytja inn, sem reyndar drap úr fjármagni okkar. Og þegar hlutirnir byrjuðu að brotna? Gerðust engir tækniaðilar á staðnum sem vissu hvernig átti að laga vetnisfrumeindirnar, svo önnur vandamál eftir öðru hrópuðust saman. Auk þess gerðu strangar flugreglur ráð fyrir að við gætum einungis eftirlitið um 30% af því sem upphaflega var ætlað. Í lokaskiptunum kostaði allt þetta skeifubland 2,6 milljón dollura. Hvað lærum við? Pengar ein alone eru ekki nóg, jafnvel þó að sólin skinist mjög oft á þessum slóðum. Við þurfum betra skipulag á milli mismunandi stofnanra, viðeigandi menntunarverkefni fyrir íbúa landsins og snjallari reglugerðir sem virka með verkefnunum á staðnum frekar en gegn þeim.

Spurningar

Hverjar eru helstu kostir sólarfljúgufóta?

Sólblöðrur bjóða kostnaðs- og umhverfisvæna aðferð í stað hefðbundinna loftfaranna eins og geimvél og drónur. Þær geta veitt samfelldan umsjáningu fyrir loftslagsmælingar og samskipti á lægri kostnaði og með minni kolefnisútblástur.

Hvar eru sólblöðrur algengar?

Sólblöðrur eru oft settar upp á miðbreiddum, þar sem jafnvægi er á milli sólarljóss og stöðugleika. Þessar svæði fá yfirleitt betri ríkisstyrmingu fyrir endurnýjanlega orkuprójekt og hafa núverandi tæknibuningu.

Hverjar eru áskoranirnar við að setja upp sólblöðrur í svæðum með mikið sólarljós?

Á svæðum með mikið sólarljós standast uppsetning sólblöðra á áskoranir eins og háar vindhraðar, sem hafa áhrif á stöðugleika, og sterkt sólarljós sem veldur hraðari efnaskemmd. Þessi þættir leiða til takmarkaðrar notkunar sólblöðra á slíkum svæðum.

Af hverju eru sólblöðrur talnar til reyndar?

Sólblöðrur eru oft flokkaðar sem tilraunbundnar vegna skarðs í loftfararreglugerðum og vanda á stjórnartækifæri sambærilegum þeim fyrir hefðbundin endurnýjanleg orkugjörv, sem leiðir til erfiðleika við víðtækri útbreiðslu.