Miksi joissakin alueissa aurinkopallon käyttöönotto on heikkoa huolimatta runsaasta auringonvalosta?

Aurinkopalloteknologian ymmärtäminen ja sen mahdollisuudet korkealla lentävissä sovelluksissa

Mikä aurinkopallo on ja miten se hyödyntää aurinkoenergiaa?

Aurinkopallon kevyessä, läpinäkyvässä säiliössä auringonvalo lämmittää ilmaa, jolloin se laajenee ja kevenee ympäröivään ilmaan verrattuna, ja pallo nousee ilman polttoaineen polttamista. Uudemmat versiot kehittävät tätä perusajatusta eteenpäin lisäämällä aurinkopaneeleita suoraan palloon. Nämä paneeleita tuottavat sähköä GPS-seurannan, radioviestintälaitteiden ja erilaisten antureiden käyttöön niiden kelluessa ilmassa. Joissakin testeissä on osoitettu, että stratosfäärin pallojen erityissuunnitellut versiot saattoivat saada jopa noin 500 wattia neliömetriä kohti auringosta sen voimakkaimmassa vaiheessa vuonna 2017 julkaistun Liu'n ja muiden tutkimuksen mukaan. Lämpöön perustuvan nousuvoiman ja auringosta saatavan sähkön tuotannon yhdistäminen tarkoittaa, että nämä pallot voivat pysyä ilmassa huomattavasti pidempään ilman, että kukaan tarvitsee nousta korjaamaan tai täydentämään niitä.

Stratosfäärivaunujen fotovoltaisten kytkentöjen rooli

Aurinkopallot toimivat hyvin vain sen mukaan, missä laitamme aurinkopaneelien, miten saamme painojen jakautumisen, ilman virtauksen ja varmistaaksemme, että ne saavat riittävästi auringonvaloa. Useimmat asentavat ohutkalvoisia aurinkokennoja joko spiraalimuodoissa tai laatikoissa - ilmapallon ulkopinnan ylle. Tämä helpottaa auringonvalon saantia ilman, että materiaali joutuu liian painostetuksi. Joidenkin uusiutuvan energian tutkimusten mukaan vuonna 2020 paneelit, jotka on kiinnitetty 15-20 asteen kulmaan kohti auringon korkeinta kohdetta, lisäävät energiantuotantoaan noin 12-18 prosenttia verrattuna niiden asettamiseen tasaiseen paikkaan. Tällaiset älykkäät suunnittelupäätökset tekevät kaiken, jotta energia virtaa tasaisesti kun ilmapallo nousee taivaaseen ja jatkuu päivän ja yön sykleissä, kun valaistus muuttuu ja säämuodot muuttuvat jatkuvasti.

Aurinkopallot ovat perinteisiin lentokoneisiin verrattuna edullisia

Aurinkopallot ovat halvempaa ja ympäristöystävällisempää vaihtoehtoa kuin kalliit satelliitit ja ne meluttelevat polttoaine-ohjaamoja, joita näemme kaikkialla nykyään. Ne voivat leijua noin 20-25 kilometrin korkeudessa useita viikkoja, ja ne voivat katsoa planeettaamme, seurata ilmastonmuutosta ja jopa auttaa viestintäsignaaleissa. Viime vuoden tutkimus osoitti, että aurinkopallot vähentävät kustannuksia noin 60 prosentilla verrattuna alhaiseen kiertoradalle lähetettäviin laitteisiin. Lisäksi ne tuottavat lähes 700 grammaa vähemmän hiilidioksidia kilowattiajasta kuin tavalliset lennokkeet. Ne ovat tehokkaita yksinkertaisen rakenteen ansiosta. Ne kulkevat tuulen kanssa korkealla stratosfäärissä. Ne eivät tarvitse paljon voimaa pysyä ilmassa.

Maantieteellinen epäsopimus: Aurinkovalon alueet, joissa aurinkopallot ovat vähäisiä

Paradoksi: Paljon auringonpaistetta mutta rajoitettua käyttöä

Vaikka näillä alueilla on runsaasti auringonvaloa, paikkoja päiväntasavallan lähellä ja kuivia autiomaasealueita, joissa auringonvalo on keskimäärin noin 5-6 kWh neliömetriä kohti, on alle 12 prosenttia kaikista aurinkopallopalloista maailmassa. Se on aivan erilaista kuin mitä näemme kentällä, jossa perinteisiä aurinkopalveluja käytetään noin 67% enemmän samoissa aurinkoisissa paikoissa. Miksi näin suuri kuilu? Tässä on haasteita. Tuuli voi joskus kiihdyttää yli 120 kilometriä tunnissa. Aurinko on siellä niin voimakasta, että aurinkopaneelien päällysteet kulkevat lähes 40% nopeammin kuin kylmemmillä puolilla maailmaa.

Aurinkovalon analysointi ja nykyiset käyttösuuntaukset

22 maasta, joissa on vähintään 2800 auringonpaistotuntia vuodessa, vain kahdeksassa on aurinkopallokehityksiä. Useimmat ilmapalloista päätyvät paikkoihin keskellä leveysasteita, joissa on kunnon mutta ei äärimmäistä auringonvaloa (noin 3 - 4 kWh neliömetriä kohti). Näillä alueilla on yleensä parempi valtion tuki uusiutuvalle energialle ja jo olemassa olevat tekniset järjestelmät tällaisten hankkeiden tukemiseksi. Katsokaa testitilaa kohtalaisilla alueilla. He pitävät ilmapallojaan ilmassa noin 85 prosenttia ajasta, vaikka ne tuottavat noin 18 prosenttia vähemmän tehoa verrattuna vastaaviin kokoonpanoihin päiväntasa-arvon lähellä. Vakaus näyttää olevan tärkeämpää kuin viimeisenkin lasin aurinkovoiman puristaminen, kun kyse on reaalimaailman sovelluksista.

Tekniset esteet luotettavan aurinkovoiman integrointiin ilmapalloissa

Energian vaihtelut nousun ja päivän aikana

Aurinkopaneelien suorituskyky laskee noin 47 prosenttia niiden nousun myötä lämpötilan muutoksen nopeuden vuoksi - kansallisen uusiutuvan energian laboratorion tutkimuksen mukaan vuonna 2023. Siellä noin 20 kilometrin korkeudessa, vaikka auringonvalo vahvistuu noin 25 prosenttia, paneelit muuttuvat huomattavasti vähemmän tehokkaiksi, kun on jääkylmää -56 astetta alaspäin, juuri silloin kun ylimääräistä tehoa tarvitaan. Tehtaiden pitää tärkeät järjestelmät käynnissä noina hankalaisina aamu- ja ilta-aikoina. Insinöörit kohtaavat melkoisen haasteen - hallita jännitevaihtelua, jotka ovat itse asiassa kolme kertaa suurempia kuin tavanomaiset maanpäälliset aurinkosähkölaitteet. Tämä tarkoittaa, että on käytettävä erityisvälineitä, joilla voidaan käsitellä tehokkaasti näitä voimakkuuden vaihtelua.

Materiaalipaine ja lämpöhajoaminen stratosfäärisuhteissa

Stratosfäärilämpötilat voivat vaihdella jopa 165 astetta Celsius-asteella vain yhden päivän aikana, mikä saa niiden polymerihaudat venyttämään ja kutistumaan lähes kaksi kertaa päivässä. Tämä jatkuva laajentuminen ja supistuminen vaatii materiaaleja. Viime vuonna ilmestyneessä tutkimuksessa Aerospace Materials Review -lehdessä todettiin, että kuluminen tapahtuu noin neljä kertaa nopeammin kuin tavallisissa alhaisemmassa korkeudessa lentävissä lentokoneissa. Ja on toinenkin ongelma. Noin 50 000 jalan korkeudessa, missä nämä ilmapalloja käytetään, ultraviolettisäteily on tarpeeksi voimakasta hajottaa ne erityiset heijastuksenvastaiset pinnoitteet aurinkokennoissa noin 32 prosenttia nopeammin kuin normaalisti. Tämän ongelman torjumiseksi insinöörien on täytynyt vaihtaa kovempaan kvartsiklasilaminaattiin. Mutta nämä vahvemmista materiaaleista aiheutuvat kustannukset - ne painavat 9 kiloa neliömetrin päälle. Tämä painon lisääminen ei ole hyvä uutinen siitä, kuinka kauan ilmapallo voi pysyä ilmassa tai kuinka paljon lastia se voi kantaa.

Siirrettävien aurinkosähköjärjestelmien painon ja tehokkuuden tasapaino

MIT:n tutkimuksen mukaan vuonna 2022 ohutkalvoiset aurinkopaneelit toimivat noin 21 prosenttia paremmin painon energian suhteen kuin perinteiset piikistä valmistetut, mikä tekee niistä erinomaisia asioille, joissa on oltava kevyitä. Mutta on yksi haitta: ne ovat hyvin hauraita. Jotta ne kestäisivät 160 kilometrin tuntinopeuden puristukset, - nämä paneelit tarvitsevat vakavia vahvistusrakenteita. Tässä suunnittelualalla on todellinen ongelma. Vain yhden kilogramman aurinkomateriaalin säästäminen tarkoittaa yleensä kolme kiloa ylimääräistä painoa, jotta kaikki pysyy vakaana. Se poistaa suurimman osan siitä, mitä saamme käyttämällä näitä hienoja uusia materiaaleja.

Infrastruktuurin, sääntely- ja toimintakehityksen haasteet käyttöönotossa

Poikkeuksellinen maa-apua laukaisuun ja palauttamiseen syrjäisillä alueilla

Parhaat laukaisupaikat ovat yleensä erämaahanne tai aurinkoisilla tasangolla, missä on paljon valoa mutta ei muuta. Useimmilla näistä paikoista ei ole oikeita teitä, ei hangareita ja tietysti ei tarpeeksi ihmisiä, jotka tietävät mitä tekevät, kun on kyse turvallisesta nostamisesta ja laskusta. Kun yritykset tarvitsevat tilapäisiä tukikohtia vain toimimaan siellä, se todella syö heidän budjettiaan. Me puhumme kustannusten nousuista 40 prosentista 60 prosenttiin. - Miksi? - En tiedä. Koska he tarvitsevat erikoislaitteita, kuten niitä suuria heliumkompressoreita ja ohjausjärjestelmiä, jotka on rakennettu kestämään ankarat sääolosuhteet. Viimeaikainen katsoo stratosfäärin toimintaa vuonna 2023 vahvisti tämän ongelman. Ilman pysyvää infrastruktuuria jokainen tehtävä maksaa lisää vain asennukseen. Tämä tekee skaalausoperaatioista paljon vaikeampia kuin kukaan haluaisi.

Ilmatilan säännöt ja rajatylittävien lentojen rajoitukset

Aurinkopallot, jotka lentävät missä tahansa noin 60 000 ja lähes 80 000 jalkaa, päätyvät tähän hankalaan ilmatilaan, jossa eri ilmailun säännöt päällekkäin. FAA sallii joitakin kokeiluja osa 101 -luettelossa Amerikassa, mutta Euroopassa ja Aasiassa hallitukset haluavat erityisluvan jokaiselle lennolle. Pallojen siirtäminen rajan yli aiheuttaa vain päänsärkyä. Otetaan esimerkkinä ympäristöhankkeesta Välimerellä. Heidän piti käydä läpi kuuden eri maan hyväksymisprosessit, ja niiden ratkaiseminen kesti vähintään 14 pitkää kuukautta. Kaikki tämä byrokratia hidastaa asioita, kun tarvitaan nopeita vastauksia ja lisää paljon paperitöitä, joita kukaan ei halua käsitellä.

Huoltoväikeydet auringonvalon ja huonosti saavutettavissa olevilla alueilla

Aurinko vaikuttaa materiaaleihin lämpimissä ilmastoissa. UV-säteilyn vaurioituminen tapahtuu noin 30 prosenttia nopeammin kuin valmistajat alun perin arvioivat. Tämä tarkoittaa, että suojaavaa kuoren käyttöikä lyhenee merkittävästi. Kun tulee aurinkopaneelien tai vetyvarastointijärjestelmien korjauksen aika, asiat menevät vielä vaikeammaksi, koska paikalla ei ole tarpeeksi taitavia teknikkoja, ja monissa paikoissa ei ole asianmukaista tarkistusvälinettä, kuten lentäviä koneita tai helikopterit laskeutuvat sopiville pisteille. Viime vuoden tutkimuksen mukaan lähes kuusi kymmenestä odottamattomasta sulkemisesta tapahtuu, koska huolto viivästyy kuivilla alueilla. Ja unohtakaa kaikki hiekkamyrskyt, jotka puhaltavat alueilla, mikä vain nopeuttaa kulumisen prosessia entisestään.

Talousmahdollisuudet ja politiikan puutteet estävät laajamittaista käyttöönottoa

Korkeat alku- ja pitkäaikaiset investointitulos

Keskimääräinen aurinkopallojärjestelmä vaatii noin 1,2 miljoonaa dollaria käyttöönottoon vuoden 2023 REN21-tietojen mukaan, mikä on noin kaksinkertainen summa verrattuna perinteisten valvontalentokoneiden hintaan. Vaikka näihin järjestelmiin ei tarvita polttoainetta ja niiden ylläpito vaatii vähemmän huoltoa, ne säästävät kymmenen vuoden aikana noin 40 % kokonaiskustannuksista. Mutta ongelmana on se, että useimmat hallituksen elimet ja sääntelyviranomaiset keskittyvät pikemminkin välittömiin budjettirajoituksiin kuin pitkän tähtäimen säästöihin. Totta kai fotovoltaisken solujen hinta on pudonnut lähes 90 % vuodesta 2010, mutta jotkin erikoistuneet osat, kuten vetyä kestävät kalvot ja ne hienot tarkkuuslentohallintajärjestelmät, pysyvät kalliina, koska valmistajat eivät vielä tuota niitä tarpeeksi suurissa määrissä.

Uusiutuvilla ilmaverostoalustoilla ei ole valtion kannustimia

Vain noin 12 prosenttia luokan A aurinkoalueita omaavista maista tarjoaa verohyvityksiä aurinkopallojen käyttöönottoon, kun taas noin kaksi kolmasosaa tarjoaa rahoitustukea perinteisille maalle asennetuille aurinkosähköjärjestelmille vuoden 2024 Energy Policy -tutkimuksen mukaan. Mikä on tämän erotuksen syy? Useimmat ilmailusäännökset edelleen käsittävät aurinkopallosovellukset kokeellisina laitteina eivätkä aitoina infrastruktuuriratkaisuina. Valmistajat kohtaavat merkittäviä haasteita, koska he eivät saa pääsyä tutkimusrahoitukseen tai tuotantoon liittyviin verohyvityksiin, joita saavat esimerkiksi tuuliturbiinien ja perinteisten aurinkopaneelien valmistajat. Tämä rahoituksen puute vaikeuttaa yritysten toimintaa, erityisesti valmistustilojen laajentamista tai hintojen alentamista skaalatuotannon kautta.

Tapaus: Epäonnistunut aurinkopallotesti Sub-Saharan Afrikassa

Maliin vuonna 2022 käynnistetty kuivuuden seurantahanke, johon oli suunniteltu 18 aurinkopalloa, epäonnistui jo kahdeksan kuukauden kuluttua kaikenlaisista ongelmista johtuen. Tulliviranomaiset asettivat järkyttävät 740 000 dollarin tullit niille hienoille komposiittimateriaaleille, jotka jouduimme tuomaan maahan, mikä kuormitti budjettiamme huomattavasti. Ja kun laitteet alkoivat rikkoutua, paikallisista teknikoista ei löytynyt ketään, joka osasi korjata niitä vetykennoja, joten ongelmat kasautuivat yhä uusien päälle. Lisäksi tiukat lentösäännöt merkitsivät, että pystyimme kattamaan vain noin 30 % siitä alueesta, jota olisimme alun perin halunneet valvoa. Loppujen lopuksi koko tämä sekasorto maksoi noin 2,6 miljoonaa dollaria. Mitä tästä voidaan oppia? Pelkkä raha ei riitä, vaikka auringon paistaisi täällä joka päivä. Tarvitsemme parempaa suunnittelua eri virastojen välillä, asianmukaisia koulutusohjelmia paikallisille ja älykkäämpiä sääntöjä, jotka toimivat hankkeiden tueksi eivätkä niiden vastaan.

UKK-osio

Mitkä ovat aurinkopallojen keskeiset edut?

Aurinkopallon tarjoavat kustannustehokkaan ja ympäristöystävällisen vaihtoehdon perinteisille ilmaverkostojärjestelmille, kuten satelliiteille ja dronelle. Ne voivat tarjota jatkuvaa peittoa ilmaston seurantaan ja viestintään alhaisemmassa hinnassa samalla kun tuottavat vähemmän hiilidioksidia.

Missä aurinkopalloja käytetään yleisimmin?

Aurinkopalloja käytetään usein koillislaajuisilla alueilla, jotka tarjoavat tasapainon auringonvalon ja vakauden välillä. Näillä alueilla on tyypillisesti parempi hallituksen tuki uusiutuvien energialähteiden projekteille ja olemassa oleva tekninen infrastruktuuri.

Mikä on haasteita aurinkopallojen käytössä alueilla, joilla on paljon auringonvaloa?

Alueilla, joilla on paljon auringonvaloa, aurinkopallojen käyttöön liittyy haasteita, kuten korkeat tuulen nopeudet, jotka vaikuttavat vakautta, ja voimakas auringonvalo, joka aiheuttaa nopeamman materiaalien rappeutumisen. Nämä tekijät rajoittavat aurinkopallojen hyödyntämistä tällaisilla alueilla.

Miksi aurinkopallot pidetään kokeellisina?

Aurinkopallot luokitellaan usein kokeellisiksi, koska niitä koskevat ilmailusäädökset päällekkäistyvät ja niille ei ole hallituksen tukia samalla tavalla kuin perinteisille uusiutuvien energialähteiden teknologioille, mikä aiheuttaa esteitä laajalle hyväksymiselle.