成層圏発電プラットホーム  実用化の検証 (現在の技術で実出来るかどうか? <順次訂正が入ります)


1 浮遊膜体
宇宙線観測気球(NASA)にて 直径150m 高度37km 積載能力2.2トン 最大100日間にわたって飛行する能力
が 実際にテスト飛行に成功しているらしいので とりあえず直径150mは製作可能
 膜を透明に出来るかどうかであるが 多分高強度樹脂膜であれば 透明化は可能と推測する。
(成層圏で風は穏やからしいが 平均で6m/s の風が有るらしいので 形状に一工夫 必要 と思われる 地上からの係留と翼による揚力の併合?)
2 反射膜
反射膜は 反射側の気圧と反対側の気圧差で パラボラ形状を保持するだけなので さして強度も必要でなく 浮遊膜体より 簡単である。
また 高度(気圧)を一定に保てば 形状も案手するものと思わる。

3 発電器
集光率 1:25程度で考えて 太陽電池面積は 700m2 浮遊膜体の焦点部に薄膜で搭載(重量は 0.2kg/m2として 140kgていど) 効率15%程度は可能か?
太陽電池の反射又は透過光(熱)を更に集光反射して 熱電子素子により 更に発電 効率 10%程度は可能か?
i一応 成層圏なので 太陽エネルギーは1.3kw/m2 電池のみで発電して 1.3*25*700*0.15=3.4MW
※「GaAs太陽電池を貼り付けた設計モジュールを使用し、集光度942倍、雰囲気温度24℃、自然冷却の条件下で22.7%の変換効率が示されている」<IN USA
らしいので 集光率を上げれば 効率を上げれるかもしれない(日本では曇りの日が多いので 集光型電池は 開発されていないようである)
<逆に考えれば 成層圏での集光型太陽光発電は 日本向き とも言える!
また 「CdTe太陽電池は新記録を作ったものの、その変換効率は1999年にNRELとスペクトロラボ社(カリフォルニア州シルマー)が開発したガリウム砒素太陽電池の約半分にすぎない。この太陽電池は32%の効率で太陽光を電気に変換できる」 これも 集光型に利用できる 32%とはすごい。

 または 小型スターリングエンジンを集光加熱して動力変換後 発電する。(実用太陽熱発電にて 25%の効率は得られている)
尚 成層圏では気温が十分に低いので 熱機関の方が効率が良いかもしれない? ただし 重量が重くなるので基本的には向いていない。

 または 単純に集光した光を 地上のターゲットに向け並行光にて反射して 地上の設備で発電する。
これは 発電効率も設備コストも安く済み 技術的課題も少ないが 雲および大気の影響を非常に受けるため 少々難点があるが 光強度を高くすれば多少なり伝達できる可能性は有る?
 一旦 セラミックなどを 気球で加熱し遠赤外線等の長波に変換後 照射すれば ある程度可能になるかもしれないが 技術課題が多そうである。
   (マイクロ波送電 と言う発想が有るが 現状 実用化は ムヅカシイ と 判断する)

 光エネルギーを集光して 光ファイバー にて エネルギー自身を 伝送できれば 成層圏での発電の必要も無く 地上で高効率のエネルギー利用の方法が開ける。
しかし 採光にて ある程度の光を伝送する事はできるようだが 高エネルギーとなるとどうか チョット NETで調べたぐらいでは 分かりませんでした。
4 送電線
カーボンファイバー送電線がアルミ送電線と同等の性能で開発できているらしいので これを 使用する。
15000mも垂直に垂らすので 風の影響が大きく 自重だけの 張力では持たない可能性も有るので、中間部に 風の影響をキャンセルする推進器(プロペラ)を設け、余分な応力をキャンセルする。
中間部に 電線用の気球をつけるのも一案である。
(対流圏にジェット気流など高速気流がある場合は 対処 仕切れない 実際に風の抵抗がどれくらい発生するのか ? である)
5 推進器
推進器は 電動モーターにプロペラを付けた物で十分であろう。単純に3基のプロペラ推進器を角度制御して 位置と角度(姿勢)を制御すれば良い。

6 メンテナンス
 夜間は発電できないので 地上に降ろしてメンテナンスすれば 問題なく、短時間での上昇下降には推進器を用いて行なえば 余分なHeも消費しなくて済む。
 また 台風などの異常気象時は 予め地上に格納して置けば良く、格納方法を考慮すれば 成層圏での風袋の堆積の1/10で済む可能性もある。


以上を踏まえて 性能諸源 を設定して見る

直径 150M 充填気体ヘリウム 高度15000m 積載能力 4トン 電動推進器3基
発電能力 3.4MW (集光型太陽電池による) カーボンファイバー送電線による 直接送電
夜間 地上収納よる 発電可能持上昇による 実働

コスト予想 (研究開発費を除く どんぶり)
1 膜体及び反射膜      気球25Mクラスで300万程度に面積比*2倍として     21600万円
2 発電機(太陽電池)    10万/m2 として                          7000万円
3 推進器(制御形含む)   1基300万                               900万円
4 送電線            1万/m?*2本                           3000万円
5 中間推進器         1基150万円*六基                          900万円
6 中間気球           1基300万 *2基                          600万円
7 地上設備(地代除く)   建物                                   10000万円

               合計                                     43700万円(四億5千万円)
    
操業コスト
ヘリュウム消費 (六ヶ月で必要堆積分を消費するとして 1000円/NM3*562500*1/10   5500万円/0.5年

人件費       複数管理するとして 2人工                            1000万/年
その他                                                    1000万/年
                 年利用コスト                                13000万/年

耐用年数年償却
膜体及び気球   5年                                                 4440万/年
地上設備      25年                                                 400万/年
その他機械     15年                                                320万/年
太陽電池       10年                                                700万/年 
                           年間総コスト                      18860万円/年

年間発電量     3400kw*12hr*365日=14892000kwhr /年
IKW当たり コスト 12.6円/kwh <<<<< 高すぎる なぜか ヘリュウム代金!
ヘリュウムの消費量を0になるとすれば?  5.2円/kwh 十分に火力と競合できるが?(一般発電コスト 六円/kwh)
無人なので 水素で実効すれば Heの1/10 で6.0円/kwh これで 採算ベース十分に乗る(風力よりは)
※「ガリウム砒素太陽電池 32%」で換算すると 驚くことに 上記の倍のパフォーマンスを示すこととなる 水素ガスで考えて 3円/kwh と驚く数字
問題点
1 維持コスト ヘリュウムが高価すぎる ので 水素を利用する
6円/kwh で 風力発電 (9円/kwh) よりも 有利となるので 実用化の価値有りと判断できる。
(送電コストと 発電の斑を考えると かなり有利)

2 開発費
どれぐらい掛るか 単体コストの5倍ぐらい?

3 量産化によるコスト低減 100基程度 量産すれば1/2  ならないか?(なれば 一般電力に対し 有利となる)
(電波中継のみで 100箇所程度の需要ありとのこと)
4 発電効率をハイブリッド型にして 最新情報による 30%台にできないか(もし出来れば Heでも採算点を超える)

5 この試算に 無理はないか  (現状想像の範囲 ただし SPSよりは現実味が有ると断定できる)

6 水素ガスで浮力を得るとして 水素ガスを自前のエネルギーで電気分解すれば タダになる すると  2.5円/KWH 夢の数字が出てくる。
この試算が例え 4倍掛っても 採算が取れる事となる また 有っていたとして量産効果で2/3程度のコストになれば1.7円/kwh <正に夢のエネルギー
+おまけで 通信衛星代替中継システム まで付いて来る。
(1.7円/kwhの気球150個(1GW予測建造費450億円? 上げれば 原子力発電所 1基分に相当する   ただし 夜は発電できないことは言うまでもない)
結論
 課題は多いが  十分採算の取れるシステムであると考える事ができるのではないか?<風の問題が一番?
(まだ 思いついて 日が浅いので 追々に 問題点解決法を 考えてゆきたい。尚この計画は個人 零細企業レベルでは 決して実行できるもでは有りません)
   
一応これが実現できたとして 5円/kwhにしか ならなっかたとしても 六円/KWHの元値で売電したとしても 1基当たり 1500万円/年の純利が出る事となる
現在の電力会社への売電価格が11.5円なので 6.5*1489=9678万円 約1基当たり年1億円の純利益を上げる事が可能である。(5年で償還できてしまう)
注 これは あくまで 開発が出来てからの事です。 またおまけとして 通信衛星代替中継システム 利用料があります。

(追加) 日本の上空にはジェット気流が流れていて この間を係留したまま 上下移動は 少々ムヅカシイので 中間層(低層雲の上)に 浮かべれば
技術的課題も少なくなり 実現可能?>日本は曇りが多いので 大きな雲を避けるだけでも 日射量が格段に増加するのでは。
 

(追加) アメリカでは サテライト通信 から 気球通信に移行しようとしているらしい
 

「この計画では、人工衛星が飛ぶ宇宙よりも低い層である成層圏に直径約60メートルの飛行船「Stratellite」(成層圏を意味する英語のstratosphereと人工衛星を意味するsatelliteを合わせた造語)を飛ばし、802.11プロトコルを使った「National Wireless Network」を構築しようとするものだ。この飛行船は高度約21キロを飛行し、視界に入るエリアは76万8,000平方キロにもなる。それぞれの飛行船は地上から遠隔制御され、12カ月、成層圏にとどまることができる。飛行船は数百キロの荷物を積むことができ、太陽電池で姿勢を制御するためのモーターを搭載している。」

と言うことで 実験は完了している>>>>実際にやる気を出せばできると言う証明
(夢想的なSPS よりは 現実問題として解決策になる)