Koncentratory słoneczne

Zasadniczo koncentratory słoneczne bardzo różnią się od przetwornice fotowoltaiczne… Ponadto elektrownie słoneczne typu termicznego są znacznie bardziej wydajne niż fotowoltaika ze względu na szereg cech.

Zadaniem koncentratora słonecznego jest skupienie promieni słonecznych na pojemniku z płynem chłodzącym, którym może być np. olej lub woda, które dobrze absorbują energię słoneczną. Metody koncentracji są różne: paraboliczne koncentratory cylindryczne, paraboliczne lustra lub wieże heliocentryczne.

W niektórych koncentratorach promieniowanie słoneczne skupia się wzdłuż linii ogniskowej, w innych — w ognisku, w którym znajduje się odbiornik. Kiedy promieniowanie słoneczne odbija się od większej powierzchni na mniejszą (powierzchnię odbiornika), osiąga się wysoką temperaturę, chłodziwo pochłania ciepło, przemieszczając się przez odbiornik. System jako całość zawiera również część akumulacyjną oraz system przesyłu energii.

Wydajność koncentratorów jest znacznie zmniejszona w okresach pochmurnych, ponieważ skupione jest tylko bezpośrednie promieniowanie słoneczne.Z tego powodu systemy te osiągają najwyższą wydajność w regionach, w których poziom nasłonecznienia jest szczególnie wysoki: na pustyniach, w rejonie równikowym. W celu zwiększenia efektywności wykorzystania promieniowania słonecznego, koncentratory wyposażone są w specjalne trackery, systemy śledzące, które zapewniają jak najdokładniejsze zorientowanie koncentratorów w kierunku słońca.

Ponieważ koszt koncentratorów słonecznych jest wysoki, a systemy śledzenia wymagają okresowej konserwacji, ich zastosowanie ogranicza się głównie do przemysłowych systemów wytwarzania energii.

Takie instalacje można zastosować w układach hybrydowych razem np. z paliwem węglowodorowym, wtedy układ magazynowania obniży koszt produkowanej energii elektrycznej. Stanie się to możliwe, ponieważ generowanie będzie odbywać się przez całą dobę.

Paraboliczne rurowe koncentratory słoneczne mają do 50 metrów długości, przypominając wydłużoną lustrzaną parabolę. Taki koncentrator składa się z zestawu wklęsłych luster, z których każde zbiera równoległe promienie słoneczne i skupia je w określonym punkcie. Wzdłuż takiej paraboli znajduje się rurka z płynem chłodzącym, dzięki czemu skupiają się na niej wszystkie promienie odbite od zwierciadeł. Aby zmniejszyć straty ciepła, rura jest otoczona szklaną rurką, która rozciąga się wzdłuż linii ogniskowej cylindra.

Piasty te są rozmieszczone w rzędach w kierunku północ-południe i są z pewnością wyposażone w systemy śledzenia Słońca. Promieniowanie skupione w przewodzie podgrzewa płyn chłodzący do prawie 400 stopni, przechodzi przez wymienniki ciepła, wytwarzając parę, która obraca turbinę generatora.

Gwoli sprawiedliwości należy zauważyć, że fotokomórkę można również umieścić w miejscu tuby. Jednak pomimo tego, że rozmiary koncentratorów mogą być mniejsze w przypadku ogniw fotowoltaicznych, wiąże się to ze spadkiem wydajności i problemem przegrzewania, co wymaga opracowania wysokiej jakości układu chłodzenia.

Na kalifornijskiej pustyni w latach 80. zbudowano 9 elektrowni z parabolicznymi cylindrycznymi koncentratorami o łącznej mocy 354 MW. Następnie ta sama firma (Luz International) zbudowała również w Deget instalację hybrydową SEGS I o mocy 13,8 MW, która dodatkowo obejmowała piece na gaz ziemny.W sumie do 1990 roku firma wybudowała elektrownie hybrydowe o łącznej mocy 80 MW.

Rozwój produkcji energii słonecznej w elektrowniach parabolicznych prowadzony jest w Maroku, Meksyku, Algierii i innych krajach rozwijających się przy wsparciu finansowym Banku Światowego.

W rezultacie eksperci doszli do wniosku, że obecnie elektrownie paraboliczne rynnowe pozostają w tyle za wieżowymi i dyskowymi elektrowniami słonecznymi pod względem rentowności i wydajności.

Dyskowe instalacje fotowoltaiczne — są to, podobnie jak anteny satelitarne, zwierciadła paraboliczne, które skupiają promienie słoneczne na odbiorniku umieszczonym w ognisku każdej takiej anteny. Jednocześnie temperatura płynu chłodzącego przy tej technologii grzewczej osiąga 1000 stopni. Płyn ciepłonośny jest natychmiast podawany do generatora lub silnika, który jest połączony z odbiornikiem. Tutaj stosuje się na przykład silniki Stirlinga i Brightona, które mogą znacznie zwiększyć wydajność takich systemów, ponieważ wydajność optyczna jest wysoka, a koszty początkowe niskie.

Światowy rekord wydajności parabolicznej czaszy instalacji słonecznej to 29% sprawności cieplnej do elektrycznej osiągniętej przez instalację typu talerzowego połączoną z silnikiem Stirlinga w Rancho Mirage.

Ze względu na modułową budowę układy fotowoltaiczne typu match są bardzo obiecujące, pozwalają w łatwy sposób osiągnąć wymagane poziomy mocy zarówno dla użytkowników hybrydowych podłączonych do publicznych sieci elektroenergetycznych, jak i niezależnych. Przykładem jest projekt STEP, na który składa się 114 zwierciadeł parabolicznych o średnicy 7 metrów zlokalizowanych w stanie Georgia.

System wytwarza parę o średnim, niskim i wysokim ciśnieniu. Para o niskim ciśnieniu jest dostarczana do systemu klimatyzacji zakładu dziewiarskiego, para o średnim ciśnieniu jest dostarczana do samego przemysłu dziewiarskiego, a para o wysokim ciśnieniu jest dostarczana bezpośrednio do produkcji energii elektrycznej.

Oczywiście koncentratory słoneczne w połączeniu z silnikiem Stirlinga cieszą się zainteresowaniem właścicieli dużych koncernów energetycznych. Dlatego Science Applications International Corporation we współpracy z trzema firmami energetycznymi opracowuje system wykorzystujący silnik Stirlinga i paraboliczne lustra, który będzie w stanie wyprodukować 25 kW energii elektrycznej.

W wieżowych elektrowniach słonecznych z centralnym odbiornikiem promieniowanie słoneczne skupia się na odbiorniku, który znajduje się na szczycie wieży…. Wokół wież umieszczono dużą liczbę reflektorów-heliostatów... Heliostaty wyposażone są w dwuosiowy system śledzenia słońca, dzięki czemu obracają się zawsze tak, aby promienie były nieruchome, skupione na odbiorniku ciepła.

Odbiornik pobiera energię cieplną, która następnie obraca turbinę generatora.

Płyn chłodzący krążący w odbiorniku przenosi parę do akumulatora ciepła. Zwykle pracuje para wodna o temperaturze 550 stopni, powietrze i inne substancje gazowe o temperaturze do 1000 stopni, ciecze organiczne o niskiej temperaturze wrzenia - poniżej 100 stopni, a także ciekły metal - do 800 stopni.

W zależności od przeznaczenia stacji, para może obracać turbinę w celu wytwarzania energii elektrycznej lub być bezpośrednio wykorzystywana w jakiejś produkcji. Temperatura w odbiorniku waha się od 538 do 1482 stopni.

Wieża energetyczna Solar One w południowej Kalifornii, jedna z pierwszych tego rodzaju, pierwotnie wytwarzała energię elektryczną za pomocą systemu parowo-wodnego o mocy 10 MW. Następnie przeszedł modernizację, a udoskonalony odbiornik, pracujący teraz z roztopionymi solami i układem magazynowania ciepła, stał się znacznie wydajniejszy.

Doprowadziło to do przełomu w technologii koncentratorów słonecznych dla elektrowni z wieżami akumulatorowymi: energia w takiej elektrowni może być produkowana na żądanie, ponieważ system magazynowania ciepła może przechowywać ciepło do 13 godzin.

Technologia stopionej soli umożliwia magazynowanie ciepła słonecznego o temperaturze 550 stopni, a energię elektryczną można teraz wytwarzać o każdej porze dnia i przy każdej pogodzie. Stacja wieżowa „Solar Two” o mocy 10 MW stała się prototypem elektrowni przemysłowych tego typu. W przyszłości — budowa przedsiębiorstw przemysłowych o mocy od 30 do 200 MW dla dużych przedsiębiorstw przemysłowych.

Perspektywy są kolosalne, ale rozwój hamuje zapotrzebowanie na duże tereny i znaczne koszty budowy stacji wieżowych na skalę przemysłową. Na przykład, aby postawić stację wieżową o mocy 100 megawatów, potrzeba 200 hektarów, podczas gdy elektrownia jądrowa zdolna do wyprodukowania 1000 megawatów energii elektrycznej wymaga tylko 50 hektarów. Z kolei stacje paraboliczno-cylindryczne (typu modułowego) dla małych wydajności są bardziej opłacalne niż stacje wieżowe.

Dlatego koncentratory wieżowe i paraboliczne są odpowiednie dla elektrowni o mocy od 30 MW do 200 MW, które są podłączone do sieci. Modułowe koncentratory dyskowe nadają się do autonomicznego zasilania sieci wymagających zaledwie kilku megawatów. Zarówno systemy wieżowe, jak i płytowe są drogie w produkcji, ale zapewniają bardzo wysoką wydajność.

Jak widać, paraboliczne koncentratory rynnowe zajmują optymalną pozycję jako najbardziej obiecująca technologia koncentratorów słonecznych na najbliższe lata.

Przeczytaj także w tym temacie: Rozwój energetyki słonecznej na świecie