Solarni koncentratorji

V osnovi se sončni koncentratorji zelo razlikujejo od fotovoltaični pretvorniki… Poleg tega so termoelektrarne zaradi številnih lastnosti veliko bolj učinkovite od fotovoltaike.

Naloga sončnega koncentratorja je usmeriti sončne žarke v posodo s hladilno tekočino, ki je lahko na primer olje ali voda, ki dobro absorbirata sončno energijo. Metode koncentriranja so različne: parabolični cilindrični koncentratorji, parabolična zrcala ali heliocentrični stolpi.

V nekaterih koncentratorjih je sončno sevanje usmerjeno vzdolž goriščne črte, v drugih - na žariščno točko, kjer se nahaja sprejemnik. Ko se sončno sevanje odbije od večje površine na manjšo površino (površino sprejemnika), se doseže visoka temperatura, hladilna tekočina absorbira toploto, ki se giblje skozi sprejemnik. Sistem kot celota vsebuje tudi hranilnik in sistem za prenos energije.

Učinkovitost koncentratorjev se v oblačnih obdobjih bistveno zmanjša, saj se fokusira le direktno sončno sevanje.Zaradi tega dosegajo ti sistemi največjo učinkovitost v regijah, kjer je stopnja osončenosti še posebej visoka: v puščavah, v ekvatorialnem območju. Za večjo učinkovitost izrabe sončnega sevanja so koncentratorji opremljeni s posebnimi sledilniki, sledilnimi sistemi, ki zagotavljajo čim natančnejšo orientacijo koncentratorjev v smeri sonca.

Ker so stroški sončnih koncentratorjev visoki in sistemi za sledenje zahtevajo redno vzdrževanje, je njihova uporaba v glavnem omejena na industrijske sisteme za proizvodnjo električne energije.

Takšne naprave se lahko uporabljajo v hibridnih sistemih skupaj, na primer z ogljikovodikovim gorivom, potem bo sistem za shranjevanje zmanjšal stroške proizvedene električne energije. To bo mogoče, saj bo proizvodnja potekala 24 ur na dan.

Parabolični cevni sončni koncentratorji so dolgi do 50 metrov in spominjajo na podolgovato zrcalno parabolo. Takšen koncentrator je sestavljen iz niza konkavnih zrcal, od katerih vsako zbira vzporedne sončne žarke in jih fokusira na določeno točko. Vzdolž takšne parabole je nameščena cev s hladilno tekočino, tako da so vsi žarki, ki jih odbijajo ogledala, usmerjeni nanjo. Za zmanjšanje toplotnih izgub je cev obdana s stekleno cevjo, ki se razteza vzdolž goriščne črte valja.

Ta vozlišča so razporejena v vrstah v smeri sever-jug in so zagotovo opremljena s sistemi za sledenje soncu. Sevanje, usmerjeno v linijo, segreje hladilno tekočino na skoraj 400 stopinj, prehaja skozi toplotne izmenjevalnike in ustvarja paro, ki vrti turbino generatorja.

Po pravici povedano je treba opozoriti, da se namesto cevi lahko nahaja tudi fotocelica. Kljub dejstvu, da so lahko velikosti koncentratorjev s fotovoltaičnimi celicami manjše, je to preobremenjeno z zmanjšanjem učinkovitosti in problemom pregrevanja, kar zahteva razvoj visokokakovostnega hladilnega sistema.

V kalifornijski puščavi je bilo v osemdesetih letih prejšnjega stoletja zgrajenih 9 elektrarn paraboličnih cilindričnih koncentratorjev s skupno močjo 354 MW. Nato je isto podjetje (Luz International) zgradilo tudi hibridno elektrarno SEGS I v Degetu z močjo 13,8 MW, ki je dodatno vključevala peči na zemeljski plin.Na splošno je podjetje do leta 1990 zgradilo hibridne elektrarne s skupno močjo 80 MW.

Razvoj proizvodnje sončne energije v paraboličnih elektrarnah poteka v Maroku, Mehiki, Alžiriji in drugih državah v razvoju s financiranjem Svetovne banke.

Zaradi tega strokovnjaki ugotavljajo, da danes parabolične koritaste elektrarne po donosnosti in učinkovitosti zaostajajo tako za stolpnimi kot za diskastimi sončnimi elektrarnami.

Disk solarne instalacije — to so, tako kot satelitske antene, parabolična zrcala, ki usmerjajo sončne žarke na sprejemnik, ki se nahaja v središču vsake takšne antene. Hkrati temperatura hladilne tekočine s to ogrevalno tehnologijo doseže 1000 stopinj. Tekočina za prenos toplote se takoj dovaja v generator ali motor, ki je kombiniran s sprejemnikom. Tukaj se na primer uporabljajo motorji Stirling in Brighton, ki lahko bistveno povečajo zmogljivost takšnih sistemov, saj je optična učinkovitost visoka in začetni stroški nizki.

Svetovni rekord učinkovitosti solarne napeljave s paraboličnim krožnikom je 29-odstotna toplotna in električna učinkovitost, dosežena z napeljavo krožnega tipa v kombinaciji s Stirlingovim motorjem v Rancho Mirage.

Zaradi modularne zasnove so solarni sistemi tipa match zelo obetavni, saj omogočajo enostavno doseganje zahtevanih nivojev moči tako za hibridne uporabnike, priključene na javna električna omrežja, kot za samostojne. Primer je projekt STEP, ki ga sestavlja 114 paraboličnih ogledal s premerom 7 metrov, ki se nahajajo v zvezni državi Georgia.

Sistem proizvaja srednje, nizko in visokotlačno paro. Nizkotlačna para se dovaja v klimatski sistem pletilne tovarne, srednjetlačna para se dovaja sami pletilni industriji, visokotlačna para pa se dovaja neposredno za proizvodnjo električne energije.

Seveda so solarni disk koncentratorji v kombinaciji s Stirlingovim motorjem zanimivi za lastnike velikih energetskih podjetij. Tako Science Applications International Corporation v sodelovanju s tremi energetskimi podjetji razvija sistem s Stirlingovim motorjem in paraboličnimi ogledali, ki bo lahko proizvedel 25 kW električne energije.

Pri stolpnih sončnih elektrarnah s centralnim sprejemnikom je sončno sevanje usmerjeno na sprejemnik, ki se nahaja na vrhu stolpa…. Okoli stolpov je postavljeno veliko število reflektorjev-heliostatov... Heliostati so opremljeni z dvoosnim sistemom sledenja soncu, zahvaljujoč kateremu se vedno obračajo tako, da žarki mirujejo, koncentrirani na sprejemniku toplote.

Sprejemnik absorbira toplotno energijo, ki nato vrti turbino generatorja.

Tekoče hladilno sredstvo, ki kroži v sprejemniku, prenaša paro v hranilnik toplote. Običajno delujejo vodna para s temperaturo 550 stopinj, zrak in druge plinaste snovi s temperaturo do 1000 stopinj, organske tekočine z nizkim vreliščem - pod 100 stopinj, pa tudi tekoča kovina - do 800 stopinj.

Odvisno od namena postaje lahko para vrti turbino za proizvodnjo električne energije ali pa se neposredno uporablja v kakšni proizvodnji. Temperatura v sprejemniku se giblje od 538 do 1482 stopinj.

Električni stolp Solar One v južni Kaliforniji, eden prvih te vrste, je prvotno proizvajal elektriko prek sistema pare in vode, ki je proizvedel 10 MW. Nato je bil deležen posodobitve in izboljšani sprejemnik, ki zdaj deluje s staljenimi solmi in sistemom za shranjevanje toplote, je postal bistveno učinkovitejši.

To je vodilo do preboja v tehnologiji sončnih koncentratorjev za baterijske stolpne elektrarne: moč v takšni elektrarni je mogoče proizvesti na zahtevo, saj lahko sistem za shranjevanje toplote hrani toploto do 13 ur.

Tehnologija staljene soli omogoča shranjevanje sončne toplote pri 550 stopinjah, elektriko pa je zdaj mogoče proizvesti kadar koli v dnevu in v vsakem vremenu. Stolpna postaja "Solar Two" z zmogljivostjo 10 MW je postala prototip industrijskih elektrarn te vrste. V prihodnosti - gradnja industrijskih podjetij z zmogljivostjo od 30 do 200 MW za velika industrijska podjetja.

Obeti so ogromni, vendar razvoj ovirajo potreba po velikih površinah in znatni stroški gradnje stolpnih postaj v industrijskem obsegu. Na primer, za postavitev stolpne postaje s 100 megavati je potrebnih 200 hektarjev, jedrska elektrarna, ki lahko proizvede 1000 megavatov električne energije, pa le 50 hektarjev. Parabolično-cilindrične postaje (modularnega tipa) za majhne kapacitete pa so cenovno ugodnejše od stolpnih.

Tako so stolpni in parabolični koritasti koncentratorji primerni za elektrarne moči od 30 MW do 200 MW, ki so priključene na omrežje. Modularna diskovna vozlišča so primerna za avtonomno napajanje omrežij, ki potrebujejo le nekaj megavatov. Sistemi stolpov in plošč so dragi za proizvodnjo, vendar zagotavljajo zelo visoko učinkovitost.

Kot lahko vidite, zavzemajo koncentratorji s parabolično korito optimalen položaj kot najbolj obetavna tehnologija sončnih koncentratorjev za prihodnja leta.

Preberite tudi o tej temi: Razvoj sončne energije v svetu