Toranjske termo solarne elektrane, sustavi za koncentriranje solarne energije

Sunce je izvor izrazito "čiste" energije. Danas se u cijelom svijetu rad na korištenju Sunca razvija u više smjerova. Prije svega, razvija se tzv. mala energetika, koja uglavnom uključuje grijanje zgrada i opskrbu toplinom. Ali već su poduzeti ozbiljni koraci u području velike energije — solarne elektrane se stvaraju na temelju fotokonverzije i toplinske pretvorbe. U ovom članku ćemo vam reći o izgledima postaja iz drugog smjera.

Tehnologija koncentrirane solarne energije, u svijetu poznata kao CSP (Concentrated Solar Power), vrsta je solarne elektrane koja koristi zrcala ili leće za koncentriranje velike količine sunčeve svjetlosti na malo područje.

CSP se ne smije brkati s koncentriranim fotonaponskim uređajima — također poznatim kao CPV (koncentrirani fotonaponski). U CSP-u se koncentrirana sunčeva svjetlost pretvara u toplinu, a toplina se potom pretvara u električnu energiju.S druge strane, u CPV-u, koncentrirana sunčeva svjetlost pretvara se izravno u električnu energiju putem fotoelektrični efekt.

Industrijska uporaba solarnih koncentratora

Solarna energija

Sunce šalje snažan tok energije zračenja u smjeru Zemlje. Čak i ako uzmemo u obzir da se 2/3 toga reflektira i raspršuje u atmosferi, ipak zemljina površina u 12 mjeseci primi 1018 kWh energije, što je 20 000 puta više nego što svijet potroši u jednoj godini.

Prirodno je da je korištenje ovog neiscrpnog izvora energije u praktične svrhe uvijek izgledalo vrlo primamljivo. No, vrijeme je prolazilo, čovjek je u potrazi za energijom stvorio toplinski stroj, začepio rijeke, rascijepio atom, a Sunce je nastavilo čekati na svome.

Zašto je tako teško kontrolirati njegovu energiju? Prvo, intenzitet sunčevog zračenja se mijenja tijekom dana, što je izuzetno nepovoljno za potrošnju. To znači da solarna stanica mora imati baterijsku instalaciju ili raditi zajedno s drugim izvorima. Ali to još uvijek nije najveći nedostatak. Što je još gore, gustoća sunčevog zračenja na zemljinoj površini je vrlo niska.

Tako je u južnim regijama Rusije samo 900 — 1000 W / m2... To je dovoljno samo za zagrijavanje vode u najjednostavnijim kolektorima do temperature ne više od 80 — 90 ° C.

Pogodan je za opskrbu toplom vodom i djelomično za grijanje, ali ni u kojem slučaju za proizvodnju električne energije. Ovdje su potrebne mnogo više temperature. Da bi se povećala gustoća toka, potrebno ga je prikupiti s velikog područja i pretvoriti ga iz raspršenog u koncentrirani.

Proizvodnja energije solarnim sustavima za koncentriranje

Metode koncentriranja sunčeve energije poznate su od davnina.Sačuvana je legenda o tome kako je veliki Arhimed uz pomoć konkavnih uglačanih bakrenih zrcala spalio rimsku flotu koja ga je opsjedala u 3. stoljeću pr. NS. Sirakuza. I premda ova legenda nije potvrđena povijesnim dokumentima, sama mogućnost zagrijavanja bilo koje tvari u žarištu paraboličnog zrcala na temperaturu od 3500 - 4000 ° C neosporna je činjenica.

Pokušaji korištenja paraboličkih zrcala za stvaranje korisne energije započeli su u drugoj polovici 19. stoljeća. Posebno se intenzivno radilo u SAD-u, Engleskoj i Francuskoj.

Eksperimentalno parabolično zrcalo za korištenje solarne toplinske energije u Los Angelesu, SAD (oko 1901.).

Godine 1866. Augustin Mouchaud upotrijebio je parabolični cilindar za stvaranje pare u prvom solarnom parnom stroju.

Solarna elektrana A. Mouchauda, ​​prikazana na Svjetskoj industrijskoj izložbi u Parizu 1882., ostavila je veliki dojam na suvremenike.

Prvi patent za solarni kolektor dobio je Talijan Alessandro Battaglia u Genovi (Italija) 1886. U narednim su godinama izumitelji poput Johna Ericksona i Franka Schumanna razvili uređaje koji rade koncentrirajući sunčevu energiju za navodnjavanje, hlađenje i kretanje.

Solarni motor, 1882

Solarna elektrana Franka Schumanna u Kairu

Godine 1912. u blizini Kaira izgrađena je prva solarna elektrana snage 45 kW s parabolično-cilindričnim koncentratorima ukupne površine 1200 m22 koja je korištena u sustavu navodnjavanja. Cijevi su postavljene u fokus svakog zrcala. Sunčeve zrake bile su koncentrirane na njihovoj površini.Voda se u cijevima pretvara u paru koja se skuplja u zajedničkom kolektoru i dovodi u parni stroj.

Općenito, treba napomenuti da je to razdoblje kada je vjera u fantastičnu moć fokusiranja zrcala zavladala mnogim umovima. Svojevrsni dokaz tih nada postao je roman A. Tolstoja "Hiperboloid inženjera Garina".

Doista, u brojnim industrijama takva se ogledala naširoko koriste. Na tom su principu mnoge zemlje izgradile peći za taljenje vatrostalnih materijala visoke čistoće. Primjerice, Francuska ima najveću pećnicu na svijetu s kapacitetom od 1 MW.

A što je s instalacijama za proizvodnju električne energije? Ovdje su se znanstvenici suočili s brojnim poteškoćama. Prije svega, trošak sustava za fokusiranje sa složenim zrcalnim površinama pokazao se vrlo visokim. Također, kako se veličina zrcala povećava, trošak eksponencijalno raste.

Također, tehnički je teško stvoriti ogledalo s površinom od 500 — 600 m2, a iz njega ne možete dobiti više od 50 kW snage. Jasno je da je pod ovim uvjetima jedinična snaga solarnog prijemnika značajno ograničena.

I još jedno važno razmatranje o sustavima zakrivljenih zrcala. U principu, prilično veliki sustavi mogu se sastaviti iz pojedinačnih modula.

Za trenutne instalacije ove vrste pogledajte ovdje: Primjeri korištenja solarnih koncentratora

Parabolično korito koje se koristi u koncentriranoj solarnoj elektrani Lockhart u blizini jezera Harper, Kalifornija (Mojave solarni projekt)

Slične elektrane izgrađene su u mnogim zemljama. Međutim, u njihovom radu postoji ozbiljan nedostatak - poteškoće u prikupljanju energije.Uostalom, svako zrcalo ima svoj generator pare u žarištu, a sva su raspoređena na velikom području. To znači da se para mora prikupljati iz više solarnih prijemnika, što uvelike komplicira i poskupljuje stanicu.

Solarni toranj

Još u predratnim godinama, inženjer N. V. Linitsky iznio je ideju o termalnoj solarnoj elektrani sa središnjim solarnim prijemnikom smještenim na visokom tornju (solarna elektrana tipa tornja).

U kasnim 1940-ima, znanstvenici iz Državnog istraživačkog instituta za energiju (ENIN) nazvanog po V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum i B. A. Garf razvili su znanstveni koncept za stvaranje takve postaje. Predložili su napuštanje složenih skupih zakrivljenih zrcala, zamjenjujući ih najjednostavnijim ravnim heliostatima.

Princip rada solarnih elektrana iz tornja je prilično jednostavan. Sunčeve zrake reflektiraju višestruki heliostati i usmjeravaju na površinu središnjeg prijemnika — solarnog generatora pare smještenog na tornju.

U skladu s položajem Sunca na nebu, automatski se mijenja i orijentacija heliostata. Kao rezultat toga, tijekom dana, koncentrirana struja sunčeve svjetlosti, koju reflektiraju stotine zrcala, zagrijava generator pare.

Razlika između SPP konstrukcija koje koriste parabolične koncentratore, SPP s disk koncentratorima i SPP iz tornja

Pokazalo se da je ovo rješenje jednostavno koliko i originalno. Ali najvažnije je da je u načelu postalo moguće stvoriti velike solarne elektrane s jediničnom snagom od stotina tisuća kW.

Otada je koncept solarne termoelektrane tipa tornja postao svjetski poznat. Tek krajem 1970-ih takve stanice snage od 0,25 do 10 MW izgrađene su u SAD-u, Francuskoj, Španjolskoj, Italiji i Japanu.

SES Themis solarni toranj u Pyrenees-Orientales u Francuskoj

Prema tom sovjetskom projektu 1985. godine na Krimu, u blizini grada Štelkina, izgrađena je eksperimentalna solarna elektrana tornjastog tipa snage 5 MW (SES-5).

U SES-5 koristi se otvoreni kružni solarni generator pare čije su površine, kako kažu, otvorene svim vjetrovima. Stoga se pri niskim temperaturama okoline i velikim brzinama vjetra konvektivni gubici naglo povećavaju, a učinkovitost značajno opada.

Sada se vjeruje da su prijemnici tipa šupljine mnogo učinkovitiji. Ovdje su sve površine generatora pare zatvorene, zbog čega su konvektivni i radijacijski gubici naglo smanjeni.

Zbog niskih parametara pare (250 °C i 4MPa), toplinska učinkovitost SES-5 je samo 0,32.

Nakon 10 godina rada 1995. SES-5 na Krimu je zatvoren, a 2005. toranj je predan u otpad.

Model SES-5 u Politehničkom muzeju

Toranjske solarne elektrane koje trenutno rade koriste nove dizajne i sustave koji koriste rastaljene soli (40% kalij nitrata, 60% natrijevog nitrata) kao radne tekućine. Ovi radni fluidi imaju veći toplinski kapacitet od morske vode koja je korištena u prvim eksperimentalnim postrojenjima.

Tehnološka shema suvremene solarne termoelektrane

Moderna toranjska solarna elektrana

Naravno, solarne elektrane su nov i kompliciran posao i naravno imaju dovoljno protivnika. Mnoge dvojbe koje iznose imaju dosta dobre razloge, ali se s drugima teško može složiti.

Na primjer, često se kaže da su za izgradnju solarnih elektrana u tornjevima potrebne velike površine. Međutim, ne mogu se isključiti područja gdje se proizvodi gorivo za rad tradicionalnih elektrana.

Postoji još jedan uvjerljiviji argument u korist tornjevih solarnih elektrana. Specifična površina zemljišta poplavljena umjetnim akumulacijama hidroelektrana iznosi 169 ha / MW, što je višestruko više od pokazatelja takvih solarnih elektrana. Štoviše, prilikom izgradnje hidroelektrana vrlo vrijedna plodna zemljišta često bivaju poplavljena, a tornjeve elektrane treba graditi u pustinjskim područjima - na zemljištima koja nisu pogodna ni za poljoprivredu ni za izgradnju industrijskih objekata.

Drugi razlog za kritiku tornjevih SPP je njihova velika potrošnja materijala. Čak postoji dvojba hoće li SES moći vratiti energiju utrošenu na proizvodnju opreme i nabavu materijala koji je korišten za njenu izradu u predviđenom razdoblju rada.

Doduše, takve su instalacije materijalno intenzivne, ali bitno je da praktički svi materijali od kojih se grade moderne solarne elektrane nisu deficitarni.Ekonomski izračuni provedeni nakon puštanja u rad prvih modernih tornjevih solarnih elektrana pokazali su njihovu visoku učinkovitost i prilično povoljne rokove povrata (vidi dolje primjere ekonomski uspješnih projekata).

Još jedna rezerva za povećanje učinkovitosti solarnih elektrana s tornjem je stvaranje hibridnih postrojenja, u kojima će solarne elektrane raditi zajedno s konvencionalnim termoelektranama na tradicionalno gorivo.Kod kombiniranog postrojenja, u satima intenzivnog sunčevog zračenja, gorivo postrojenje smanjuje svoju snagu i "ubrzava" po oblačnom vremenu i pri vršnim opterećenjima.

Primjeri modernih solarnih elektrana

U lipnju 2008. Bright Source Energy otvorio je centar za razvoj solarne energije u izraelskoj pustinji Negev.

Na mjestu se nalazi u industrijskom parku Rotema, instalirano je preko 1600 heliostata koji prate sunce i reflektiraju svjetlost na solarni toranj od 60 metara. Koncentrirana energija se zatim koristi za zagrijavanje kotla na vrhu tornja na 550°C, stvarajući paru koja se šalje u turbinu gdje se proizvodi električna energija. Elektrana snage 5 MW.

Ista tvrtka je 2019. izgradila novu elektranu u pustinji Negev —Ashalim… Toya Postrojenje koje se sastoji od tri dijela s tri različite tehnologije kombinira tri vrste energije: solarnu toplinsku energiju, fotonaponsku energiju i prirodni plin (hibridna elektrana). Instalirana snaga solarnog tornja je 121 MW.

Stanica uključuje 50.600 računalno kontroliranih heliostata, dovoljno za napajanje 120.000 domova. Visina tornja je 260 metara.Bio je najviši na svijetu, ali nedavno ga je nadmašio solarni toranj od 262,44 metra u solarnom parku Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Elektrana u pustinji Negev u Izraelu

U ljeto 2009. američka tvrtka eSolar izgradila je solarni toranj Sierra solarni toranj za elektranu od 5 MW koja se nalazi u Lancasteru, Kalifornija, oko 80 km sjeverno od Los Angelesa.Elektrana pokriva područje od oko 8 hektara u suhoj dolini zapadno od pustinje Mojave na 35°N geografske širine.

Sierra solarni toranj

Od 9. rujna 2009. godine, na primjeru postojećih elektrana, procijenjeno je da je trošak izgradnje toranjske solarne elektrane (CSP) od 2,5 do 4 dolara po vatu, dok je gorivo (sunčevo zračenje) besplatno. . Tako izgradnja takve elektrane snage 250 MW stoji od 600 do 1000 milijuna američkih dolara. To znači od 0,12 do 0,18 dolara/kWh.

Također je utvrđeno da nova CSP postrojenja mogu biti ekonomski konkurentna fosilnim gorivima.

Nathaniel Bullard, analitičar Bloomberg New Energy Financea, procijenio je da je trošak električne energije proizvedene solarnom elektranom Iwanpa, pokrenutom 2014., niži od električne energije proizvedene Fotonaponska elektrana, a gotovo je jednaka električnoj energiji iz elektrane na prirodni plin.

Najpoznatija od solarnih elektrana trenutno je elektrana Gemasolar s kapacitetom od 19,9 MW, koji se nalazi zapadno od grada Esia u Andaluziji (Španjolska). Elektranu je svečano otvorio španjolski kralj Juan Carlos 4. listopada 2011. godine.

Gemsolarna elektrana

Ovaj projekt, koji je od Europske komisije dobio bespovratna sredstva od 5 milijuna eura, koristi tehnologiju koju je testirala američka tvrtka Solar Two:

• 2.493 heliostata ukupne površine 298.000 m2 koristi staklo s boljom refleksijom, čiji pojednostavljeni dizajn smanjuje troškove proizvodnje za 45%.

• Veći sustav za pohranu toplinske energije kapaciteta 8500 tona rastaljenih soli (nitrata), koji osigurava autonomiju od 15 sati (cca 250 MWh) bez sunčeve svjetlosti.

• Poboljšani dizajn crpke koji omogućuje pumpanje soli izravno iz spremnika bez potrebe za koritom.

• Sustav za proizvodnju pare uključujući prisilnu recirkulaciju pare.

• Parna turbina s višim tlakom i većom učinkovitošću.

• Pojednostavljen krug cirkulacije rastaljene soli, prepolovljen broj potrebnih ventila.

Elektrana (toranj i heliostati) pokriva ukupnu površinu od 190 ha.

SPP Gemasolar solarni toranj

Abengoa je izgradio Hej sunčano u Južnoj Africi — elektrana visine 205 metara i snage 50 MW. Svečano otvorenje održalo se 27. kolovoza 2013. godine.

Hej sunčano

Ivanpah solarni električni sustav za proizvodnju — solarna elektrana od 392 megavata (MW) u pustinji Mojave u Kaliforniji, 40 milja jugozapadno od Las Vegasa. Elektrana je puštena u rad 13. veljače 2014. godine.

Ivanpah solarni električni sustav za proizvodnju

Godišnja proizvodnja ovog SPP-a pokriva potrošnju 140.000 kućanstava. Instalirano 173 500 heliostatskih zrcala koja usmjeravaju sunčevu energiju na generatore pare smještene na tri središnja solarna tornja.

U ožujku 2013. s tvrtkom Bright Source Energy potpisan je ugovor o izgradnji elektrane Spaljena u Kaliforniji, koji se sastoji od dva tornja od 230 m (svaki po 250 MW), puštanje u pogon planirano je za 2021.

Ostale operativne solarne tornjeve elektrane: Solar Park (Dubai, 2013.), Nur III (Maroko, 2014.), Crescent Dunes (Nevada, SAD, 2016.), SUPCON Delingha i Shouhang Dunhuang (Kathai, oba 2018.), Gonghe, Luneng Haixi i Hami (Kina, sve 2019.), Cerro Dominador (Čile, travanj 2021.).

Inovativno rješenje za solarnu energiju

Budući da ova tehnologija najbolje funkcionira u područjima s visokom insolacijom (sunčevim zračenjem), stručnjaci predviđaju da će najveći rast broja tornjevih solarnih elektrana biti u mjestima poput Afrike, Meksika i jugozapada Sjedinjenih Država.

Također se smatra da koncentrirana sunčeva energija ima ozbiljne perspektive i da može osigurati do 25% svjetskih energetskih potreba do 2050. godine. Trenutno se u svijetu razvija više od 50 novih projekata ove vrste elektrana.