Vežové tepelné solárne elektrárne, solárne systémy na koncentrovanie energie

Slnko je zdrojom mimoriadne „čistej“ energie. Dnes sa na celom svete práca na využití Slnka rozvíja v mnohých smeroch. V prvom rade sa rozvíja takzvaná malá energetika, ktorá zahŕňa najmä vykurovanie budov a zásobovanie teplom. Ale vážne kroky už boli podniknuté v oblasti energetiky vo veľkom meradle — solárne elektrárne vznikajú na báze fotokonverzie a tepelnej konverzie. V tomto článku vám povieme o vyhliadkach staníc z druhého smeru.

Technológia koncentrovanej solárnej energie, celosvetovo známa ako CSP (Concentrated Solar Power), je typ solárnej elektrárne, ktorá využíva zrkadlá alebo šošovky na sústredenie veľkého množstva slnečného svetla na malú plochu.

CSP by sa nemal zamieňať s koncentrovanou fotovoltaikou – tiež známou ako CPV (koncentrovaná fotovoltaika). V CSP sa koncentrované slnečné svetlo premieňa na teplo a teplo sa potom premieňa na elektrinu.Na druhej strane v CPV sa koncentrované slnečné svetlo premieňa priamo na elektrickú energiu fotoelektrický efekt.

Priemyselné využitie solárnych koncentrátorov

Solárna energia

Slnko vysiela silný prúd žiarivej energie v smere k Zemi. Aj keď vezmeme do úvahy, že 2/3 z nej odráža a rozptýli atmosféra, stále zemský povrch prijme 1018 kWh energie za 12 mesiacov, čo je 20 000-krát viac, ako svet spotrebuje za rok.

Je prirodzené, že využitie tohto nevyčerpateľného zdroja energie na praktické účely sa vždy zdalo veľmi lákavé. Čas však plynul, človek pri hľadaní energie vytvoril tepelný stroj, zablokoval rieky, rozdelil atóm a Slnko ďalej čakalo v krídlach.

Prečo je také ťažké ovládať jeho energiu? Po prvé, intenzita slnečného žiarenia sa počas dňa mení, čo je pre spotrebu mimoriadne nevýhodné. To znamená, že solárna stanica musí mať batériovú inštaláciu alebo musí spolupracovať s inými zdrojmi. Ale to stále nie je najväčšia nevýhoda. Oveľa horšie je, že hustota slnečného žiarenia na zemskom povrchu je veľmi nízka.

Takže v južných oblastiach Ruska je to len 900 — 1000 W / m2... To stačí len na ohrev vody v najjednoduchších kolektoroch na teploty nie viac ako 80 — 90 °C.

Je vhodný na zásobovanie teplou vodou a čiastočne na vykurovanie, v žiadnom prípade však nie na výrobu elektriny. Tu sú potrebné oveľa vyššie teploty. Na zvýšenie hustoty toku je potrebné zbierať ho z veľkej oblasti a transformovať ho z rozptýleného na koncentrovaný.

Výroba energie pomocou solárnych koncentračných systémov

Spôsoby koncentrácie slnečnej energie sú známe už od staroveku.Zachovala sa legenda o tom, ako veľký Archimedes pomocou konkávnych leštených medených zrkadiel spálil rímsku flotilu, ktorá ho obliehala v 3. storočí pred Kristom. NS. Syrakúzy. A hoci túto legendu nepotvrdzujú historické dokumenty, samotná možnosť zahriatia akejkoľvek látky v ohnisku parabolického zrkadla na teploty 3500 – 4000 °C je nepopierateľným faktom.

Pokusy využiť parabolické zrkadlá na generovanie užitočnej energie sa začali v druhej polovici 19. storočia. Obzvlášť intenzívne sa pracovalo v USA, Anglicku a Francúzsku.

Experimentálne parabolické zrkadlo na využitie slnečnej tepelnej energie v Los Angeles, USA (okolo 1901).

V roku 1866 použil Augustin Mouchaud parabolický valec na výrobu pary v prvom solárnom parnom stroji.

Solárna elektráreň A. Mouchauda, ​​predvedená na svetovej priemyselnej výstave v Paríži v roku 1882, urobila na súčasníkov obrovský dojem.

Prvý patent na solárny kolektor získal Talian Alessandro Battaglia v Janove (Taliansko) v roku 1886. V nasledujúcich rokoch vynálezcovia ako John Erickson a Frank Schumann vyvinuli zariadenia, ktoré fungujú tak, že sústreďujú slnečnú energiu na zavlažovanie, chladenie a pohyb.

Solárny motor, 1882

Solárny závod Franka Schumanna v Káhire

V roku 1912 bola pri Káhire postavená prvá solárna elektráreň s výkonom 45 kW s parabolicko-cylindrickými koncentrátormi s celkovou plochou 1200 m22, ktorá bola použitá v zavlažovacom systéme. Rúry boli umiestnené v ohnisku každého zrkadla. Na ich povrchu sa sústredili slnečné lúče.Voda v potrubí sa mení na paru, ktorá sa zhromažďuje v spoločnom kolektore a privádza sa do parného stroja.

Vo všeobecnosti treba poznamenať, že to bolo obdobie, keď viera vo fantastickú zaostrovaciu schopnosť zrkadiel ovládla mnoho myslí. Akýmsi dôkazom týchto nádejí sa stal román A. Tolstého „Hyperboloid inžiniera Garina“.

V mnohých priemyselných odvetviach sú takéto zrkadlá skutočne široko používané. Na tomto princípe mnohé krajiny postavili pece na tavenie vysoko čistých žiaruvzdorných materiálov. Napríklad Francúzsko má najväčšiu rúru na svete s výkonom 1 MW.

A čo zariadenia na výrobu elektrickej energie? Tu vedci čelili mnohým ťažkostiam. Po prvé, náklady na zaostrovacie systémy so zložitými zrkadlovými povrchmi sa ukázali ako veľmi vysoké. S rastúcou veľkosťou zrkadiel tiež exponenciálne rastú náklady.

Tiež vytvorte zrkadlo s rozlohou 500 - 600 m2 technicky náročné a môžete z neho získať maximálne 50 kW výkonu. Je zrejmé, že za týchto podmienok je jednotkový výkon solárneho prijímača výrazne obmedzený.

A ešte jedna dôležitá úvaha o zakrivených zrkadlových systémoch. V zásade je možné z jednotlivých modulov zostaviť pomerne veľké systémy.

Aktuálne inštalácie tohto typu nájdete tu: Príklady použitia solárnych koncentrátorov

Parabolický žľab používaný v koncentrovanej solárnej elektrárni Lockhart neďaleko Harper Lake v Kalifornii (Mojave Solar Project)

Podobné elektrárne boli postavené v mnohých krajinách. V ich práci však existuje vážna nevýhoda - ťažkosti pri zhromažďovaní energie.Každé zrkadlo má totiž v ohnisku vlastný generátor pár a všetky sú rozmiestnené na veľkej ploche. To znamená, že para musí byť odoberaná z mnohých solárnych prijímačov, čo značne komplikuje a predražuje stanicu.

Solárna veža

Už v predvojnových rokoch navrhol inžinier N. V. Linitsky myšlienku tepelnej solárnej elektrárne s centrálnym solárnym prijímačom umiestneným na vysokej veži (slnečná elektráreň vežového typu).

Koncom 40. rokov minulého storočia vedci zo Štátneho výskumného ústavu energetiky (ENIN) pomenovaní po V.I. Vedecký koncept na vytvorenie takejto stanice vypracovali G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum a B. A. Garf. Navrhli opustiť zložité drahé zakrivené zrkadlá a nahradiť ich najjednoduchšími plochými heliostatmi.

Princíp fungovania solárnych elektrární z veže je celkom jednoduchý. Slnečné lúče sú odrážané viacerými heliostatmi a smerované na povrch centrálneho prijímača - solárneho parného generátora umiestneného na veži.

V súlade s polohou Slnka na oblohe sa automaticky mení aj orientácia heliostatov. Výsledkom je, že počas celého dňa koncentrovaný prúd slnečného svetla, ktorý sa odráža od stoviek zrkadiel, ohrieva generátor pary.

Rozdiel medzi návrhmi SPP s použitím parabolických koncentrátorov, SPP s diskovými koncentrátormi a SPP z veže

Toto riešenie sa ukázalo byť rovnako jednoduché ako pôvodné. Najdôležitejšie však bolo, že v zásade bolo možné vytvárať veľké solárne elektrárne s jednotkovým výkonom stoviek tisíc kW.

Odvtedy si koncepcia solárnej tepelnej elektrárne vežového typu získala celosvetové uznanie. Až koncom 70. rokov boli takéto stanice s výkonom 0,25 až 10 MW postavené v USA, Francúzsku, Španielsku, Taliansku a Japonsku.

Solárna veža SES Themis v Pyrenejach-Orientales vo Francúzsku

Podľa tohto sovietskeho projektu bola v roku 1985 na Kryme neďaleko mesta Shtelkino postavená experimentálna solárna elektráreň vežového typu s výkonom 5 MW (SES-5).

V SES-5 sa používa otvorený kruhový solárny parný generátor, ktorého povrchy, ako sa hovorí, sú otvorené všetkým vetrom. Preto pri nízkych okolitých teplotách a vysokej rýchlosti vetra prudko narastajú konvekčné straty a výrazne klesá účinnosť.

Teraz sa verí, že prijímače dutinového typu sú oveľa efektívnejšie. Tu sú všetky povrchy parogenerátora uzavreté, vďaka čomu sú výrazne znížené konvekčné a radiačné straty.

Vzhľadom na nízke parametre pary (250 °C a 4MPa) je tepelná účinnosť SES-5 len 0,32.

Po 10 rokoch prevádzky v roku 1995 bola SES-5 na Kryme zatvorená av roku 2005 bola veža odovzdaná do šrotu.

Model SES-5 v Polytechnickom múzeu

Vežové solárne elektrárne, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke, využívajú nové konštrukcie a systémy, ktoré využívajú ako pracovné tekutiny roztavené soli (40 % dusičnan draselný, 60 % dusičnan sodný). Tieto pracovné kvapaliny majú vyššiu tepelnú kapacitu ako morská voda, ktorá sa používala v prvých experimentálnych zariadeniach.

Technologická schéma modernej solárnej tepelnej elektrárne

Moderná vežová solárna elektráreň

Samozrejme, solárne elektrárne sú nový a komplikovaný biznis a prirodzene majú dosť odporcov. Mnohé z pochybností, ktoré vyjadrujú, majú celkom dobré dôvody, no s ostatnými sa dá len ťažko súhlasiť.

Napríklad sa často hovorí, že na výstavbu vežových solárnych elektrární sú potrebné veľké plochy pôdy. Nemožno však vylúčiť ani oblasti, kde sa vyrába palivo pre prevádzku tradičných elektrární.

V prospech vežových solárnych elektrární existuje ešte jeden presvedčivejší prípad. Špecifická plocha pôdy zaplavenej umelými nádržami vodných elektrární je 169 hektárov / MW, čo je mnohonásobne viac ako ukazovatele takýchto solárnych elektrární. Navyše pri výstavbe vodných elektrární často dochádza k zaplavovaniu veľmi cenných úrodných pôd a vežové SPP sa majú stavať v púštnych oblastiach – na pozemkoch, ktoré nie sú vhodné ani na poľnohospodárstvo, ani na výstavbu priemyselných zariadení.

Ďalším dôvodom kritiky vežových SPP je ich vysoká spotreba materiálu. Dokonca je pochybnosť, či SES bude schopná vrátiť energiu vynaloženú na výrobu zariadení a získanie materiálov použitých na ich výstavbu počas predpokladanej doby prevádzky.

Takéto inštalácie sú skutočne náročné na materiál, ale je nevyhnutné, aby prakticky o všetky materiály, z ktorých sa stavajú moderné solárne elektrárne, nebol nedostatok.Ekonomické výpočty vykonané po spustení prvých moderných vežových solárnych elektrární ukázali ich vysokú účinnosť a pomerne priaznivé doby návratnosti (príklady ekonomicky úspešných projektov pozri nižšie).

Ďalšou rezervou na zvýšenie účinnosti solárnych elektrární s vežou je vytvorenie hybridných elektrární, v ktorých budú solárne elektrárne spolupracovať s konvenčnými tepelnými elektrárňami na tradičné palivo.V kombinovanej elektrárni sa v hodinách intenzívneho slnečného žiarenia palivo zariadenie znižuje svoj výkon a „zrýchľuje“ v zamračenom počasí a pri špičkovom zaťažení.

Príklady moderných solárnych elektrární

V júni 2008 spoločnosť Bright Source Energy otvorila centrum na vývoj solárnej energie v izraelskej púšti Negev.

Na stránke sa nachádza v priemyselnom parku Rotema, bolo nainštalovaných viac ako 1 600 heliostatov, ktoré sledujú slnko a odrážajú svetlo na 60-metrovú solárnu vežu. Koncentrovaná energia sa potom používa na ohrev kotla v hornej časti veže na 550 °C, čím sa vytvára para, ktorá sa posiela do turbíny, kde sa vyrába elektrina. Výkon elektrárne 5 MW.

V roku 2019 tá istá spoločnosť postavila novú elektráreň v Negevskej púšti —Ashalim… Toya Závod, ktorý pozostáva z troch sekcií s tromi rôznymi technológiami, kombinuje tri druhy energie: solárnu tepelnú energiu, fotovoltaickú energiu a zemný plyn (hybridná elektráreň). Inštalovaný výkon solárnej veže je 121 MW.

Súčasťou stanice je 50 600 počítačom riadených heliostatov, čo stačí na napájanie 120 000 domácností. Výška veže je 260 metrov.Bola najvyššia na svete, no nedávno ju prekonala 262,44-metrová solárna veža v slnečnom parku Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Elektráreň v Negevskej púšti v Izraeli

V lete 2009 postavila americká spoločnosť eSolar solárnu vežu Solárna veža Sierra pre 5 MW elektráreň v Lancasteri v Kalifornii, asi 80 km severne od Los Angeles. Elektráreň sa rozkladá na ploche asi 8 hektárov v suchom údolí západne od Mohavskej púšte na 35° severnej zemepisnej šírky.

Solárna veža Sierra

K 9. septembru 2009 sa na základe príkladu existujúcich elektrární odhadovalo, že náklady na výstavbu vežovej solárnej elektrárne (CSP) sú 2,5 až 4 USD za watt, pričom palivo (slnečné žiarenie) je zadarmo. . Výstavba takejto elektrárne s výkonom 250 MW teda stojí od 600 do 1000 miliónov amerických dolárov. To znamená od 0,12 do 0,18 dolára / kWh.

Zistilo sa tiež, že nové elektrárne CSP môžu byť ekonomicky konkurencieschopné voči fosílnym palivám.

Nathaniel Bullard, analytik Bloomberg New Energy Finance, odhadol, že náklady na elektrinu vyrobenú solárnou elektrárňou Iwanpa, ktorá bola spustená v roku 2014, sú nižšie ako elektrina vyrobená Fotovoltaická elektráreň, a je takmer rovnaký ako elektrina z elektrárne na zemný plyn.

Najznámejšou zo solárnych elektrární je v súčasnosti elektráreň Gemasolar s kapacitou 19,9 MW, ktorý sa nachádza západne od mesta Esia v Andalúzii (Španielsko). Elektráreň slávnostne otvoril španielsky kráľ Juan Carlos 4. októbra 2011.

Gemsolárna elektráreň

Tento projekt, ktorý získal grant 5 miliónov eur od Európskej komisie, využíva technológiu testovanú americkou spoločnosťou Solar Two:

• 2 493 heliostatov s celkovou plochou 298 000 m2 používa sklo s lepšou odrazivosťou, ktorého zjednodušená konštrukcia znižuje výrobné náklady o 45 %.

• Väčší systém akumulácie tepelnej energie s kapacitou 8 500 ton roztavených solí (dusičnanov), ktorý poskytuje autonómiu 15 hodín (približne 250 MWh) bez slnečného žiarenia.

• Vylepšená konštrukcia čerpadla, ktorá umožňuje čerpanie solí priamo zo skladovacích nádrží bez potreby žumpy.

• Systém výroby pary vrátane nútenej recirkulácie pary.

• Parná turbína s vyšším tlakom a vyššou účinnosťou.

• Zjednodušený cirkulačný okruh roztavenej soli, zníženie počtu potrebných ventilov na polovicu.

Elektráreň (veža a heliostaty) sa rozkladá na celkovej ploche 190 hektárov.

SPP Gemasolar Solárna veža

Abengoa postavila Hej slnečný v Južnej Afrike — elektráreň s výškou 205 metrov a výkonom 50 MW. Slávnostné otvorenie sa uskutočnilo 27. augusta 2013.

Hej slnečný

Ivanpah solárny elektrický generátorový systém — solárna elektráreň s výkonom 392 megawattov (MW) v kalifornskej púšti Mojave, 40 míľ juhozápadne od Las Vegas. Elektráreň bola uvedená do prevádzky 13.2.2014.

Ivanpah solárny elektrický generátorový systém

Ročná produkcia tohto SPP pokrýva spotrebu 140 000 domácností. Inštalovalo sa 173 500 zrkadiel heliostatu so zameraním slnečnej energie na parné generátory umiestnené na troch centrálnych solárnych vežiach.

V marci 2013 bola podpísaná dohoda so spoločnosťou Bright Source Energy o výstavbe elektrárne Spálený v Kalifornii, pozostávajúci z dvoch 230 m veží (každá 250 MW), pričom uvedenie do prevádzky je naplánované na rok 2021.

Ďalšie prevádzkyschopné solárne vežové elektrárne: Solar Park (Dubaj, 2013), Nur III (Maroko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha a Shouhang Dunhuang (Kathai, obe 2018), Gonghe, Luneng Haixi a Hami (Čína, všetky 2019), Cerro Dominador (Čile, apríl 2021).

Inovatívne riešenie pre solárnu energiu

Keďže táto technológia funguje najlepšie v oblastiach s vysokým slnečným žiarením (slnečné žiarenie), odborníci predpovedajú, že najväčší nárast počtu vežových solárnych elektrární bude na miestach ako Afrika, Mexiko a juhozápad Spojených štátov.

Verí sa tiež, že koncentrovaná solárna energia má vážne vyhliadky a že dokáže zabezpečiť až 25 % celosvetovej energetickej potreby do roku 2050. V súčasnosti sa vo svete vyvíja viac ako 50 nových projektov tohto typu elektrární.