Rodzaje elektrowni słonecznych: wieżowa, dyskowa, koncentrator paraboliczno-cylindryczny, solarno-próżniowa, kombinowana
Aby przekształcić energię promieniowania słonecznego lub innymi słowy — ciepła i światła słonecznego na energię elektryczną, od wielu lat wiele krajów na całym świecie korzysta z elektrowni słonecznych. Są to konstrukcje inżynierskie o różnej konstrukcji, pracujące na różnych zasadach, w zależności od typu elektrowni.
Jeśli ktoś, słysząc kombinację "elektrownia słoneczna", wyobraża sobie ogromny obszar pokryty panelami słonecznymi, nie jest to zaskakujące, ponieważ tego typu elektrownie, zwane fotowoltaicznymi, są dziś bardzo popularne w wielu gospodarstwach domowych. Ale to nie jedyny rodzaj elektrowni słonecznej.
Wszystkie znane dziś elektrownie słoneczne, które wytwarzają energię elektryczną na skalę przemysłową, dzielą się na sześć typów: wieżowe, płytowe, fotowoltaiczne, koncentratory paraboliczno-cylindryczne, solarno-próżniowe i kombinowane.Przyjrzyjmy się szczegółowo każdemu typowi elektrowni słonecznej i zwróćmy uwagę na konkretne konstrukcje w różnych krajach na całym świecie.
Elektrownie wieżowe
Elektrownia słoneczna — Elektrownia słoneczna, w której promieniowanie z optycznego układu skupiającego utworzonego przez pole heliostatów jest kierowane do zamontowanego na wieży odbiornika słonecznego.
Elektrownie wieżowe pierwotnie opierały się na zasadzie parowania wody pod wpływem promieniowania słonecznego. Tutaj para wodna jest używana jako płyn roboczy. Umieszczona w centrum takiej stacji wieża ma na górze zbiornik na wodę, który jest pomalowany na czarno, aby jak najlepiej pochłaniać zarówno promieniowanie widzialne, jak i ciepło. Dodatkowo wieża posiada zespół pompowy, którego zadaniem jest dostarczanie wody do zbiornika. Para, której temperatura przekracza 500 ° C, obraca turbogenerator znajdujący się na terenie stacji.
W celu skupienia maksymalnej możliwej ilości promieniowania słonecznego na szczycie wieży, wokół niej zainstalowano setki heliostatów, których zadaniem jest kierowanie odbitego promieniowania słonecznego bezpośrednio do zbiornika z wodą. Heliostaty to lustra, których powierzchnia może sięgać kilkudziesięciu metrów kwadratowych.
Heliostat [heliostat] — Płaski lub skupiający element zwierciadlany optycznego układu skupiającego, mający indywidualne urządzenie orientacyjne do kierowania odbitego bezpośredniego promieniowania słonecznego do odbiornika promieniowania słonecznego.
Zamontowane na wspornikach wyposażonych w system automatycznego ogniskowania, wszystkie heliostaty kierują odbite promieniowanie słoneczne bezpośrednio na szczyt wieży, do zbiornika, ponieważ pozycjonowanie działa zgodnie z ruchem słońca w ciągu dnia.
W najgorętszy dzień temperatura wytwarzanej pary może wzrosnąć do 700°C, co jest więcej niż wystarczające do normalnej pracy turbiny.
Na przykład w Izraelu, na terenie pustyni Negew, do końca 2017 roku zakończy się budowa elektrowni z wieżą o mocy ponad 121 MW. Wysokość wieży wyniesie 240 metrów (najwyższa wieża fotowoltaiczna na świecie w czasie budowy), a wokół niego powstanie podłoga z setkami tysięcy heliostatów, które zostaną ustawione za pomocą sterowania Wi-Fi. Temperatura pary w zbiorniku osiągnie 540°C. Projekt o wartości 773 milionów dolarów pokryje 1% zapotrzebowania Izraela na energię elektryczną.
Woda nie jest jedyną rzeczą, którą można ogrzać w wieży za pomocą promieniowania słonecznego. Na przykład w Hiszpanii w 2011 roku oddano do użytku wieżową elektrownię słoneczną Gemasolar, w której podgrzewany jest solny płyn chłodzący. Takie rozwiązanie umożliwiło ogrzewanie nawet w nocy.
Podgrzana do 565°C sól trafia do specjalnego zbiornika, po czym przekazuje ciepło do wytwornicy pary, która obraca turbinę. Cały system ma moc znamionową 19,9 MW i jest w stanie dostarczyć 110 GWh energii elektrycznej (średnio w roku) do zasilania sieci 27 500 gospodarstw domowych, pracującej na pełnych obrotach 24 godziny na dobę przez 9 miesięcy.
Elektrownie lot
W zasadzie elektrownie tego typu są podobne do elektrowni wieżowych, ale różnią się konstrukcyjnie. Wykorzystuje oddzielne moduły, z których każdy wytwarza energię elektryczną. Moduł zawiera zarówno reflektor, jak i odbiornik. Na wsporniku zamontowany jest paraboliczny zespół zwierciadeł tworzących odbłyśnik.
Mirror Amplifier — Koncentrator promieniowania słonecznego z powłoką lustrzaną.Zwierciadlany koncentrator fasetkowy — Zwierciadlany koncentrator promieniowania słonecznego składający się z pojedynczych zwierciadeł o płaskim lub zakrzywionym kształcie, tworzących wspólną powierzchnię odbijającą.
Odbiornik znajduje się w ognisku paraboloidy. Odbłyśnik składa się z kilkudziesięciu luster, z których każde jest indywidualnie dostosowywane. Odbiornikiem może być silnik Stirlinga połączony z generatorem lub zbiornik z wodą, która zamienia się w parę, która napędza turbinę.
Na przykład w 2015 r. Ripasso w Szwecji przetestowało paraboliczną jednostkę helotermiczną z silnikiem Stirlinga w RPA. Odbłyśnikiem instalacji jest lustro paraboliczne składające się z 96 części i łącznej powierzchni 104 metrów kwadratowych.
Skoncentrowano się na silniku wodorowym Stirlinga wyposażonym w koło zamachowe i podłączonym do generatora. Talerz obracał się powoli, podążając za słońcem w ciągu dnia. W rezultacie współczynnik sprawności wyniósł 34%, a każda taka „płyta” była w stanie dostarczyć użytkownikowi 85 MWh energii elektrycznej rocznie.
Gwoli uczciwości odnotujmy, że w ognisku "płyty" elektrowni słonecznej tego typu może znajdować się pojemnik z olejem, którego ciepło może być przekazywane do generatora pary, który z kolei obraca turbina generatora elektrycznego.
Elektrownie słoneczne z rurami parabolicznymi
Tutaj ponownie czynnik grzewczy jest podgrzewany przez skoncentrowane promieniowanie odbite. Zwierciadło ma formę parabolicznego walca o długości do 50 metrów, ustawionego w kierunku północ-południe i obracającego się zgodnie z ruchem słońca. W ognisku lustra znajduje się stała rura, wzdłuż której porusza się płynny środek chłodzący.Gdy płyn chłodzący jest wystarczająco ciepły, ciepło jest przekazywane do wody w wymienniku ciepła, gdzie para ponownie napędza generator.
Paraboliczny koncentrator korytarzowy — Lustrzany koncentrator promieniowania słonecznego, którego kształt tworzy parabola poruszająca się równolegle do siebie.
W latach 80. w Kalifornii firma Luz International zbudowała 9 takich elektrowni o łącznej mocy 354 MW. Jednak po kilku latach praktyki eksperci doszli do wniosku, że dzisiejsze elektrownie paraboliczne są gorsze zarówno pod względem opłacalności, jak i wydajności od wieżowych i płytowych elektrowni słonecznych.
Jednak w 2016 roku na Saharze niedaleko Casablanki odkryto elektrownię. koncentratory słoneczne, o mocy 500 MW. Pół miliona 12-metrowych luster podgrzewa chłodziwo do 393°C, by zamienić wodę w parę do obracających się turbin generatora. W nocy energia cieplna nadal działa, gromadząc się w stopionej soli. W ten sposób państwo Maroko planuje stopniowo rozwiązywać problem przyjaznego dla środowiska źródła energii.
Elektrownie fotowoltaiczne
Stacje oparte o moduły fotowoltaiczne, panele fotowoltaiczne. Są bardzo popularne i rozpowszechnione we współczesnym świecie. Moduły oparte na ogniwach krzemowych są szeroko stosowane do zasilania małych obiektów, takich jak sanatoria, prywatne wille i inne budynki, gdzie stacja o wymaganej mocy jest składana z oddzielnych części i instalowana na dachu lub na działce o odpowiedniej powierzchni. Przemysłowe elektrownie fotowoltaiczne są w stanie zasilić w energię elektryczną małe miejscowości.
Solar Power Plant (SES) [elektrownia słoneczna] — Elektrownia przeznaczona do przetwarzania energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną.
Na przykład w Rosji w 2015 roku uruchomiono największą elektrownię fotowoltaiczną w kraju. Elektrownia słoneczna „Aleksander Włażniew”, składająca się ze 100 000 paneli słonecznych o łącznej mocy 25 MW, znajduje się na obszarze 80 hektarów między miastami Orsk i Gai. Wydajność stacji wystarczy do zasilenia w energię elektryczną połowy miasta Orsk, w tym budynków gospodarczych i mieszkalnych.
Zasada działania takich stacji jest prosta. Energia fotonów świetlnych jest przekształcana w prąd w płytce krzemowej; wewnętrzny efekt fotoelektryczny w tym półprzewodniku był od dawna badany i akceptowany przez producentów ogniw słonecznych. Ale krzem krystaliczny, który daje wydajność na poziomie 24%, nie jest jedyną opcją. Technologia stale się poprawia. Tak więc w 2013 roku inżynierowie firmy Sharp osiągnęli sprawność 44,4% z pierwiastka indowo-galowo-arsenkowego, a zastosowanie soczewek ogniskujących umożliwiło osiągnięcie wszystkich 46%.
Słoneczne elektrownie próżniowe
Absolutnie ekologiczny typ stacji fotowoltaicznych. W zasadzie wykorzystuje się naturalny przepływ powietrza, który powstaje na skutek różnicy temperatur (powietrze na powierzchni ziemi nagrzewa się i pędzi do góry). W 1929 roku pomysł ten został opatentowany we Francji.
Powstaje szklarnia, czyli kawałek ziemi pokryty szkłem. Ze środka szklarni wystaje wieża, wysoka rura, w której zamontowana jest turbina generatora. Słońce ogrzewa szklarnię, a powietrze przepływające przez rurę obraca turbinę.Ciąg pozostaje stały tak długo, jak długo słońce ogrzewa powietrze w zamkniętej szklanej objętości, a nawet w nocy, dopóki powierzchnia ziemi zatrzymuje ciepło.
Stacja doświadczalna tego typu została zbudowana w 1982 roku, 150 kilometrów na południe od Madrytu, w Hiszpanii. Szklarnia miała 244 metry średnicy, a rura miała 195 metrów wysokości. Maksymalna rozwinięta moc to tylko 50 kW. Jednak turbina działała przez 8 lat, aż do awarii z powodu rdzy i silnych wiatrów. W 2010 roku Chiny zakończyły budowę słonecznej stacji próżniowej, która była w stanie dostarczyć 200 kW. Zajmuje powierzchnię 277 hektarów.
Połączone elektrownie słoneczne
Są to stacje, w których komunikacja ciepłej wody i ogrzewania jest podłączona do wymienników ciepła, ogólnie podgrzewają wodę na różne potrzeby. Stacje łączone obejmują również rozwiązania łączone, gdy koncentratory pracują równolegle z panelami fotowoltaicznymi. Połączone elektrownie słoneczne są często jedynym rozwiązaniem alternatywnego zasilania i ogrzewania prywatnych domów.