Stolpne termalne sončne elektrarne, sistemi za koncentriranje sončne energije

Sonce je vir izjemno »čiste« energije. Danes se po vsem svetu delo na področju uporabe Sonca razvija v več smereh. Najprej se razvija tako imenovana mala energetika, ki zajema predvsem ogrevanje stavb in oskrbo s toploto. Toda na področju velike energetike so bili že narejeni resni koraki - sončne elektrarne nastajajo na podlagi fotopretvorbe in toplotne pretvorbe. V tem članku vam bomo povedali o možnostih postaj iz druge smeri.

Tehnologija koncentrirane sončne energije, po vsem svetu znana kot CSP (Concentrated Solar Power), je vrsta sončne elektrarne, ki uporablja zrcala ali leče za koncentriranje velikih količin sončne svetlobe na majhno površino.

CSP ne smemo zamenjevati s koncentrirano fotovoltaiko - znano tudi kot CPV (koncentrirana fotovoltaika). V CSP se koncentrirana sončna svetloba pretvori v toploto, toplota pa se nato pretvori v električno energijo.Po drugi strani pa se v CPV koncentrirana sončna svetloba pretvarja neposredno v električno energijo prek fotoelektrični učinek.

Industrijska uporaba sončnih koncentratorjev

Sončna energija

Sonce pošilja močan tok sevalne energije v smeri zemlje. Tudi če upoštevamo, da se je 2/3 odbije in razprši v atmosferi, še vedno zemeljsko površje v 12 mesecih prejme 1018 kWh energije, kar je 20.000-krat več, kot je svet porabi v enem letu.

Seveda se je uporaba tega neusahljivega vira energije v praktične namene vedno zdela zelo mamljiva. Vendar je čas minil, človek je v iskanju energije ustvaril toplotni stroj, zamašil reke, razcepil atom in Sonce je še naprej čakalo na svoja krila.

Zakaj je tako težko nadzorovati njegovo energijo? Prvič, intenzivnost sončnega sevanja se čez dan spreminja, kar je izjemno neugodno za uživanje. To pomeni, da mora imeti sončna postaja baterijsko instalacijo ali delovati skupaj z drugimi viri. A to še vedno ni največja pomanjkljivost. Še huje je, da je gostota sončnega sevanja na zemeljski površini zelo nizka.

Tako je v južnih regijah Rusije le 900 - 1000 W / m2 ... To je dovolj le za ogrevanje vode v najpreprostejših kolektorjih do temperatur, ki niso višje od 80 - 90 ° C.

Primeren je za oskrbo s toplo vodo in deloma za ogrevanje, nikakor pa ne za proizvodnjo električne energije. Tukaj so potrebne veliko višje temperature. Da bi povečali gostoto toka, ga je treba zbrati z velikega območja in ga pretvoriti iz razpršenega v koncentriranega.

Proizvodnja energije s solarnimi koncentrirajočimi sistemi

Metode koncentriranja sončne energije so znane že od antičnih časov.Ohranjena je legenda o tem, kako je veliki Arhimed s pomočjo konkavno poliranih bakrenih zrcal sežgal rimsko ladjevje, ki ga je oblegalo v 3. stoletju pr. NS. Sirakuza. In čeprav ta legenda ni potrjena z zgodovinskimi dokumenti, je sama možnost segrevanja katere koli snovi v žarišču paraboličnega ogledala na temperature 3500-4000 ° C nesporno dejstvo.

Poskusi uporabe paraboličnih zrcal za pridobivanje koristne energije so se začeli v drugi polovici 19. stoletja. Posebno intenzivno delo je potekalo v ZDA, Angliji in Franciji.

Eksperimentalno parabolično ogledalo za uporabo sončne toplotne energije v Los Angelesu, ZDA (okoli 1901).

Leta 1866 je Augustin Mouchaud uporabil parabolični valj za ustvarjanje pare v prvem solarnem parnem stroju.

Sončna elektrarna A. Mouchauda, ​​predstavljena na svetovni industrijski razstavi v Parizu leta 1882, je naredila velik vtis na sodobnike.

Prvi patent za sončni kolektor je pridobil Italijan Alessandro Battaglia v Genovi (Italija) leta 1886. V naslednjih letih so izumitelji, kot sta John Erickson in Frank Schumann, razvili naprave, ki delujejo s koncentriranjem sončne energije za namakanje, hlajenje in gibanje.

Solarni motor, 1882

Sončna elektrarna Franka Schumanna v Kairu

Leta 1912 je bila v bližini Kaira zgrajena prva sončna elektrarna z močjo 45 kW s parabolično-cilindričnimi koncentratorji s skupno površino 1200 m22, ki je bila uporabljena v namakalnem sistemu. Cevi so bile postavljene v žarišču vsakega ogledala. Na njihovi površini so bili koncentrirani sončni žarki.Voda v ceveh se spremeni v paro, ki se zbira v skupnem zbiralniku in dovaja v parni stroj.

Na splošno je treba opozoriti, da je bilo to obdobje, ko je vera v fantastično moč ostrenja ogledal prevzela mnoge glave. Roman A. Tolstoja "Hiperboloid inženirja Garina" je postal nekakšen dokaz teh upov.

Takšna ogledala se dejansko pogosto uporabljajo v številnih panogah. Na tem principu so številne države zgradile peči za taljenje ognjevzdržnih materialov visoke čistosti. Francija ima na primer največjo pečico na svetu z zmogljivostjo 1 MW.

Kaj pa naprave za pridobivanje električne energije? Tu so se znanstveniki soočili s številnimi težavami. Prvič, stroški sistemov za ostrenje s kompleksnimi zrcalnimi površinami so se izkazali za zelo visoke. Poleg tega se z večanjem velikosti ogledal stroški eksponentno povečujejo.

Tudi ustvariti ogledalo s površino 500-600 m2 je tehnično težko in iz njega ne morete dobiti več kot 50 kW moči. Jasno je, da je v teh pogojih enota moči sončnega sprejemnika bistveno omejena.

In še en pomemben pomislek o sistemih z ukrivljenimi ogledali. Načeloma je iz posameznih modulov mogoče sestaviti precej velike sisteme.

Za trenutne namestitve te vrste glejte tukaj: Primeri uporabe solarnih koncentratorjev

Parabolično korito, uporabljeno v koncentrirani sončni elektrarni Lockhart blizu jezera Harper v Kaliforniji (projekt Mojave Solar)

Podobne elektrarne so zgradili v mnogih državah. Vendar pa obstaja resna pomanjkljivost njihovega dela - težave pri zbiranju energije.Navsezadnje ima vsako ogledalo svoj generator pare v žarišču in vsa so razpršena na velikem območju. To pomeni, da je treba paro zbirati iz številnih sončnih sprejemnikov, kar močno oteži in podraži postajo.

Solarni stolp

Že v predvojnih letih je inženir N. V. Linitsky predstavil idejo o termalni sončni elektrarni s centralnim sončnim sprejemnikom, nameščenim na visokem stolpu (sončna elektrarna stolpnega tipa).

V poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja so znanstveniki Državnega raziskovalnega inštituta za energijo (ENIN) poimenovanega po V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum in B. A. Garf so razvili znanstveni koncept za ustvarjanje takšne postaje. Predlagali so opustitev zapletenih dragih ukrivljenih ogledal in jih nadomestili z najpreprostejšimi ravnimi heliostati.

Princip delovanja sončnih elektrarn iz stolpa je povsem preprost. Sončni žarki se odbijajo od več heliostatov in so usmerjeni na površino osrednjega sprejemnika - sončnega generatorja pare, nameščenega na stolpu.

V skladu s položajem Sonca na nebu se samodejno spreminja tudi orientacija heliostatov. Posledično ves dan koncentriran tok sončne svetlobe, ki se odbija od stotin ogledal, segreva generator pare.

Razlika med zasnovami SPP z uporabo paraboličnih koncentratorjev, SPP s kolutnimi koncentratorji in SPP iz stolpa

Ta rešitev se je izkazala za tako preprosto kot izvirno. Najpomembneje pa je bilo, da je načeloma postalo mogoče ustvariti velike sončne elektrarne z enotsko močjo več sto tisoč kW.

Od takrat je koncept stolpne sončne termoelektrarne pridobil svetovno prepoznavnost. Šele v poznih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so bile takšne postaje z močjo od 0,25 do 10 MW zgrajene v ZDA, Franciji, Španiji, Italiji in na Japonskem.

Solarni stolp SES Themis v Pyrenees-Orientales v Franciji

Po tem sovjetskem projektu je bila leta 1985 na Krimu, v bližini mesta Shtelkino, zgrajena eksperimentalna stolpna sončna elektrarna z močjo 5 MW (SES-5).

V SES-5 se uporablja odprt krožni solarni generator pare, katerega površine so, kot pravijo, odprte za vse vetrove. Zato se pri nizkih temperaturah okolja in visokih hitrostih vetra konvektivne izgube močno povečajo in učinkovitost močno zmanjša.

Zdaj se verjame, da so sprejemniki votlinskega tipa veliko bolj učinkoviti. Tu so vse površine generatorja pare zaprte, zaradi česar se konvektivne in sevalne izgube močno zmanjšajo.

Zaradi nizkih parametrov pare (250 °C in 4MPa) je toplotna učinkovitost SES-5 samo 0,32.

Po 10 letih delovanja leta 1995 je bil SES-5 na Krimu zaprt, leta 2005 pa je bil stolp predan v odpad.

Model SES-5 v Politehničnem muzeju

Stolpne sončne elektrarne, ki trenutno obratujejo, uporabljajo nove zasnove in sisteme, ki kot delovno tekočino uporabljajo staljene soli (40 % kalijevega nitrata, 60 % natrijevega nitrata). Te delovne tekočine imajo večjo toplotno kapaciteto kot morska voda, ki je bila uporabljena v prvih poskusnih napravah.

Tehnološka shema sodobne sončne termoelektrarne

Sodobna stolpna sončna elektrarna

Seveda so sončne elektrarne nov in zapleten posel in imajo seveda dovolj nasprotnikov. Številni dvomi, ki jih izražajo, imajo precej dobre razloge, z drugimi pa se težko strinjamo.

Na primer, pogosto se govori, da so za gradnjo stolpnih sončnih elektrarn potrebne velike površine. Ne moremo pa izključiti območij, kjer se proizvaja gorivo za delovanje tradicionalnih elektrarn.

Obstaja še en bolj prepričljiv primer v prid stolpnim sončnim elektrarnam. Specifična površina zemljišča, poplavljenega z umetnimi akumulacijami hidroelektrarn, je 169 ha / MW, kar je večkrat več od kazalcev takšnih sončnih elektrarn. Poleg tega so pri gradnji hidroelektrarn pogosto poplavljena zelo dragocena rodovitna zemljišča, stolpne TE pa naj bi gradili v puščavskih območjih - na zemljiščih, ki niso primerna niti za kmetijstvo niti za gradnjo industrijskih objektov.

Drugi razlog za kritiko stolpnih SPE je njihova visoka poraba materiala. Obstaja celo dvom, ali bo SES lahko povrnil energijo, porabljeno za proizvodnjo opreme in pridobivanje materialov za njeno izdelavo v predvidenem obdobju obratovanja.

Res je, da so tovrstne naprave materialno intenzivne, vendar je bistveno, da praktično vseh materialov, iz katerih so zgrajene sodobne sončne elektrarne, ne primanjkuje.Ekonomski izračuni po zagonu prvih sodobnih stolpnih sončnih elektrarn so pokazali njihovo visoko učinkovitost in dokaj ugodne vračilne dobe (glej primere ekonomsko uspešnih projektov spodaj).

Druga rezerva za povečanje učinkovitosti sončnih elektrarn s stolpom je izgradnja hibridnih elektrarn, v katerih bodo sončne elektrarne delovale skupaj s klasičnimi termoelektrarnami na tradicionalno gorivo.Pri kombinirani elektrarni se v urah intenzivnega sončnega obsevanja gorivo obrat zmanjša svojo moč in "pospeši" v oblačnem vremenu in pri koničnih obremenitvah.

Primeri sodobnih sončnih elektrarn

Junija 2008 je Bright Source Energy odprl center za razvoj sončne energije v izraelski puščavi Negev.

Na mestu se nahaja v industrijskem parku Rotema, je bilo nameščenih več kot 1600 heliostatov, ki sledijo soncu in odbijajo svetlobo na 60-metrski sončni stolp. Koncentrirana energija se nato uporabi za segrevanje kotla na vrhu stolpa na 550 °C, pri čemer se proizvede para, ki se pošlje v turbino, kjer se proizvaja elektrika. Moč elektrarne 5 MW.

Leta 2019 je isto podjetje zgradilo novo elektrarno v puščavi Negev —Ashalim… Toya Obrat, sestavljen iz treh delov s tremi različnimi tehnologijami, združuje tri vrste energije: sončno toplotno energijo, fotovoltaično energijo in zemeljski plin (hibridna elektrarna). Inštalirana moč solarnega stolpa je 121 MW.

Postaja vključuje 50.600 računalniško vodenih heliostatov, kar zadostuje za napajanje 120.000 domov. Višina stolpa je 260 metrov.Bil je najvišji na svetu, a ga je pred kratkim presegel 262,44-metrski sončni stolp v sončnem parku Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Elektrarna v puščavi Negev v Izraelu

Poleti 2009 je ameriško podjetje eSolar zgradilo solarni stolp Sončni stolp Sierra za 5 MW elektrarno, ki se nahaja v Lancasterju v Kaliforniji, približno 80 km severno od Los Angelesa.Elektrarna pokriva območje približno 8 ha v suhi dolini zahodno od puščave Mojave na 35°S zemljepisne širine.

Sončni stolp Sierra

Na dan 9. september 2009 je bilo na primeru obstoječih elektrarn ocenjeno, da je strošek gradnje stolpne sončne elektrarne (CSP) od 2,5 do 4 dolarje na vat, medtem ko je gorivo (sončno sevanje) brezplačno. . Tako gradnja takšne elektrarne z močjo 250 MW stane od 600 do 1000 milijonov ameriških dolarjev. To pomeni od 0,12 do 0,18 dolarjev / kWh.

Ugotovljeno je bilo tudi, da so lahko nove elektrarne CSP ekonomsko konkurenčne fosilnim gorivom.

Nathaniel Bullard, analitik pri Bloomberg New Energy Finance, je ocenil, da so stroški električne energije, proizvedene v leta 2014 zagnani sončni elektrarni Iwanpa, nižji od električne energije, proizvedene v Fotovoltaična elektrarna, in je skoraj enak električni energiji iz elektrarne na zemeljski plin.

Med sončnimi elektrarnami je trenutno najbolj znana elektrarna Gemasolar z zmogljivostjo 19,9 MW, ki se nahaja zahodno od mesta Esia v Andaluziji (Španija). Elektrarno je 4. oktobra 2011 slovesno odprl španski kralj Juan Carlos.

Gemsolarna elektrarna

Ta projekt, ki je od Evropske komisije prejel nepovratna sredstva v višini 5 milijonov evrov, uporablja tehnologijo, ki jo je testiralo ameriško podjetje Solar Two:

• 2.493 heliostatov s skupno površino 298.000 m2 uporablja steklo z boljšo odbojnostjo, katerega poenostavljena zasnova zmanjša proizvodne stroške za 45 %.

• Večji hranilnik toplotne energije s kapaciteto 8.500 ton staljenih soli (nitratov), ​​ki zagotavlja 15-urno avtonomijo (cca 250 MWh) brez sončne svetlobe.

• Izboljšana zasnova črpalke, ki omogoča črpanje soli neposredno iz skladiščnih rezervoarjev brez potrebe po koritu.

• Sistem za proizvodnjo pare, vključno s prisilnim recirkulacijo pare.

• Parna turbina z višjim tlakom in večjim izkoristkom.

• Poenostavljeno kroženje staljene soli, prepolovljeno število potrebnih ventilov.

Elektrarna (stolp in heliostati) pokriva skupno površino 190 ha.

Sončni stolp SPP Gemasolar

Abengoa je zgradil Hej sonček v Južni Afriki - elektrarna z višino 205 metrov in zmogljivostjo 50 MW. Slovesna otvoritev je bila 27. avgusta 2013.

Hej sonček

Sončni električni sistem Ivanpah — sončna elektrarna z močjo 392 megavatov (MW) v kalifornijski puščavi Mojave, 40 milj jugozahodno od Las Vegasa. Elektrarna je bila predana v obratovanje 13. februarja 2014.

Sončni električni sistem Ivanpah

Letna proizvodnja te SPE pokriva porabo 140.000 gospodinjstev. Nameščenih 173.500 heliostatskih ogledal, ki usmerjajo sončno energijo na generatorje pare, nameščene na treh osrednjih solarnih stolpih.

Marca 2013 je bila s podjetjem Bright Source Energy podpisana pogodba za izgradnjo elektrarne Zažgano v Kaliforniji, sestavljen iz dveh 230 m stolpov (vsak po 250 MW), zagon je predviden leta 2021.

Druge delujoče solarne stolpne elektrarne: Solar Park (Dubaj, 2013), Nur III (Maroko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, ZDA, 2016), SUPCON Delingha in Shouhang Dunhuang (Kathai, obe 2018.), Gonghe, Luneng Haixi in Hami (Kitajska, vse 2019), Cerro Dominador (Čile, april 2021).

Inovativna rešitev za sončno energijo

Ker ta tehnologija najbolje deluje na območjih z visoko insolacijo (sončno sevanje), strokovnjaki napovedujejo, da bo največja rast števila stolpnih sončnih elektrarn v krajih, kot so Afrika, Mehika in jugozahod ZDA.

Menijo tudi, da ima koncentrirana sončna energija resne možnosti in da lahko do leta 2050 zagotovi do 25 % svetovnih potreb po energiji. Trenutno se v svetu razvija več kot 50 novih projektov tovrstnih elektrarn.