Wieżowe elektrownie słoneczne, systemy koncentracji energii słonecznej

Słońce jest źródłem wyjątkowo „czystej” energii. Dziś na całym świecie prace nad wykorzystaniem Słońca rozwijają się wielokierunkowo. Przede wszystkim rozwija się tzw. mała energetyka, która obejmuje głównie ogrzewanie budynków i zaopatrzenie w ciepło. Ale poważne kroki zostały już podjęte w dziedzinie energetyki na dużą skalę — powstają elektrownie słoneczne oparte na fotokonwersji i konwersji termicznej. W tym artykule opowiemy o perspektywach stacji z drugiego kierunku.

Technologia Concentrated Solar Power, znana na całym świecie jako CSP (Concentrated Solar Power), to rodzaj elektrowni słonecznej, która wykorzystuje lustra lub soczewki do skupiania dużych ilości światła słonecznego na małym obszarze.

CSP nie należy mylić ze skoncentrowaną fotowoltaiką — znaną również jako CPV (skoncentrowana fotowoltaika). W CSP skoncentrowane światło słoneczne jest przekształcane w ciepło, a ciepło jest następnie przekształcane w energię elektryczną.Z drugiej strony w CPV skoncentrowane światło słoneczne jest przekształcane bezpośrednio w energię elektryczną poprzez efekt fotoelektryczny.

Przemysłowe zastosowanie koncentratorów słonecznych

Energia słoneczna

Słońce wysyła potężny strumień promienistej energii w kierunku ziemi. Nawet jeśli weźmiemy pod uwagę, że 2/3 z tego jest odbijane i rozpraszane przez atmosferę, to i tak na powierzchnię ziemi trafia 1018 kWh energii w ciągu 12 miesięcy, czyli 20 000 razy więcej niż świat zużywa w ciągu roku.

To naturalne, że wykorzystanie tego niewyczerpanego źródła energii do celów praktycznych zawsze wydawało się bardzo kuszące. Jednak czas mijał, człowiek w poszukiwaniu energii stworzył silnik cieplny, zablokował rzeki, rozszczepił atom, a Słońce nadal czekało w skrzydłach.

Dlaczego tak trudno jest kontrolować jego energię? Po pierwsze, intensywność promieniowania słonecznego zmienia się w ciągu dnia, co jest wyjątkowo uciążliwe w konsumpcji. Oznacza to, że stacja solarna musi posiadać instalację bateryjną lub współpracować z innymi źródłami. Ale to wciąż nie jest największa wada. Znacznie gorzej, gęstość promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi jest bardzo niska.

Tak więc w południowych regionach Rosji jest to tylko 900 — 1000 W / m2... To wystarczy tylko do podgrzania wody w najprostszych kolektorach do temperatur nie wyższych niż 80 — 90 ° C.

Nadaje się do dostarczania ciepłej wody i częściowo do ogrzewania, ale w żadnym wypadku do wytwarzania energii elektrycznej. Tutaj potrzebne są znacznie wyższe temperatury. Aby zwiększyć gęstość strumienia, konieczne jest zebranie go z dużego obszaru i przekształcenie z rozproszonego w skoncentrowany.

Produkcja energii za pomocą systemów koncentracji energii słonecznej

Metody koncentrowania energii słonecznej znane są od czasów starożytnych.Zachowała się legenda o tym, jak wielki Archimedes przy pomocy wklęsłych polerowanych zwierciadeł miedzianych spalił oblegającą go flotę rzymską w III wieku pne. NS. Syrakuzy. I choć legenda ta nie znajduje potwierdzenia w dokumentach historycznych, sama możliwość podgrzania w ognisku zwierciadła parabolicznego dowolnej substancji do temperatur 3500 — 4000°C jest faktem niepodważalnym.

Próby wykorzystania zwierciadeł parabolicznych do generowania użytecznej energii rozpoczęto w drugiej połowie XIX wieku. Szczególnie intensywne prace prowadzono w USA, Anglii i Francji.

Eksperymentalne lustro paraboliczne do wykorzystania słonecznej energii cieplnej w Los Angeles, USA (około 1901 r.).

W 1866 roku Augustin Mouchaud użył cylindra parabolicznego do wytworzenia pary w pierwszym silniku parowym wykorzystującym energię słoneczną.

Elektrownia słoneczna A. Mouchauda, ​​zademonstrowana na Światowej Wystawie Przemysłowej w Paryżu w 1882 roku, zrobiła ogromne wrażenie na współczesnych.

Pierwszy patent na kolektor słoneczny uzyskał Włoch Alessandro Battaglia w Genui (Włochy) w 1886 roku. W kolejnych latach wynalazcy tacy jak John Erickson i Frank Schumann opracowali urządzenia, które działają poprzez koncentrację energii słonecznej do nawadniania, chłodzenia i ruchu.

Silnik słoneczny, 1882

Elektrownia słoneczna Franka Schumanna w Kairze

W 1912 roku pod Kairem zbudowano pierwszą elektrownię słoneczną o mocy 45 kW z koncentratorami paraboliczno-cylindrycznymi o łącznej powierzchni 1200 m22, które wykorzystano w systemie nawadniającym. W ognisku każdego lustra umieszczono rurki. Promienie słoneczne skupiały się na ich powierzchni.Woda w rurach zamienia się w parę, która jest zbierana we wspólnym kolektorze i podawana do silnika parowego.

Ogólnie rzecz biorąc, należy zauważyć, że był to okres, w którym wiara w fantastyczną moc skupiającą luster zawładnęła wieloma umysłami. Powieść A. Tołstoja „Hiperboloida inżyniera Garina” stała się swego rodzaju dowodem tych nadziei.

Rzeczywiście, w wielu branżach takie lustra są szeroko stosowane. Na tej zasadzie wiele krajów zbudowało piece do topienia materiałów ogniotrwałych o wysokiej czystości. Na przykład Francja ma największy piec na świecie o mocy 1 MW.

A co z instalacjami do wytwarzania energii elektrycznej? Tutaj naukowcy napotkali szereg trudności. Przede wszystkim koszt systemów ogniskowania o skomplikowanych powierzchniach zwierciadeł okazał się bardzo wysoki. Ponadto, wraz ze wzrostem rozmiaru luster, koszt rośnie wykładniczo.

Stwórz też lustro o powierzchni 500 — 600 m2 trudne technicznie, a możesz uzyskać z niego nie więcej niż 50 kW mocy. Oczywiste jest, że w tych warunkach moc jednostkowa odbiornika słonecznego jest znacznie ograniczona.

I jeszcze jedna ważna kwestia dotycząca systemów zakrzywionych luster. W zasadzie z pojedynczych modułów można składać całkiem duże systemy.

Aktualne instalacje tego typu można znaleźć tutaj: Przykłady zastosowania koncentratorów słonecznych

Koryto paraboliczne używane w elektrowni słonecznej Lockhart Concentrated Solar Power Plant w pobliżu Harper Lake w Kalifornii (Mojave Solar Project)

Podobne elektrownie powstały w wielu krajach. Ich praca ma jednak poważną wadę - trudność w gromadzeniu energii.W końcu każde lustro ma swój własny generator pary w ognisku i wszystkie są rozłożone na dużym obszarze. Oznacza to, że para musi być pobierana z wielu odbiorników słonecznych, co znacznie komplikuje i zwiększa koszt stacji.

Wieża słoneczna

Jeszcze w latach przedwojennych inżynier N. V. Linitsky przedstawił ideę termicznej elektrowni słonecznej z centralnym odbiornikiem słonecznym umieszczonym na wysokiej wieży (elektrownia słoneczna typu wieżowego).

Pod koniec lat czterdziestych naukowcy z Państwowego Instytutu Badawczego Energii (ENIN) imienia V.I. GM Krzhizhanovsky, RR Aparisi, VA Baum i BA Garf opracowali naukową koncepcję stworzenia takiej stacji. Zaproponowali porzucenie skomplikowanych drogich zakrzywionych luster, zastępując je najprostszymi płaskimi heliostatami.

Zasada działania elektrowni słonecznych z wieży jest dość prosta. Promienie słoneczne są odbijane przez wiele heliostatów i kierowane na powierzchnię centralnego odbiornika — solarnej wytwornicy pary umieszczonej na wieży.

Zgodnie z pozycją Słońca na niebie orientacja heliostatów również zmienia się automatycznie. W rezultacie przez cały dzień skoncentrowany strumień światła słonecznego, odbijany przez setki luster, ogrzewa generator pary.

Różnica między konstrukcjami SPP wykorzystującymi koncentratory paraboliczne, SPP z koncentratorami tarczowymi i SPP z wieży

To rozwiązanie okazało się równie proste, co oryginalne. Ale najważniejsze było to, że w zasadzie stało się możliwe tworzenie dużych elektrowni słonecznych o jednostkowej mocy setek tysięcy kW.

Od tego czasu koncepcja elektrowni słonecznej typu wieżowego zyskała uznanie na całym świecie. Dopiero pod koniec lat 70. takie stacje o mocy od 0,25 do 10 MW powstały w USA, Francji, Hiszpanii, Włoszech i Japonii.

Wieża solarna SES Themis w Pirenejach Wschodnich we Francji

Według tego radzieckiego projektu w 1985 roku na Krymie, w pobliżu miasta Shtelkino, zbudowano eksperymentalną wieżową elektrownię słoneczną o mocy 5 MW (SES-5).

W SES-5 zastosowano otwarty okrągły generator pary słonecznej, którego powierzchnie, jak mówią, są otwarte na wszystkie wiatry. Dlatego przy niskich temperaturach otoczenia i dużych prędkościach wiatru straty konwekcyjne gwałtownie rosną, a wydajność znacznie spada.

Obecnie uważa się, że odbiorniki typu wnękowego są znacznie wydajniejsze. Tutaj wszystkie powierzchnie generatora pary są zamknięte, dzięki czemu straty konwekcyjne i radiacyjne są znacznie zmniejszone.

Ze względu na niskie parametry pary (250°C i 4MPa) sprawność cieplna SES-5 wynosi zaledwie 0,32.

Po 10 latach eksploatacji w 1995 roku SES-5 na Krymie został zamknięty, aw 2005 roku wieżę oddano na złom.

Model SES-5 w Muzeum Politechnicznym

Obecnie działające wieżowe elektrownie słoneczne wykorzystują nowe konstrukcje i systemy, które jako płyny robocze wykorzystują stopione sole (40% azotanu potasu, 60% azotanu sodu). Te płyny robocze mają większą pojemność cieplną niż woda morska, którą stosowano w pierwszych instalacjach eksperymentalnych.

Schemat technologiczny nowoczesnej elektrowni słonecznej

Nowoczesna wieżowa elektrownia słoneczna

Oczywiście elektrownie słoneczne to nowy i skomplikowany biznes i naturalnie mają wystarczająco dużo przeciwników. Wiele wątpliwości, które wyrażają, ma całkiem dobre powody, ale z innymi trudno się zgodzić.

Na przykład często mówi się, że do budowy wieżowych elektrowni słonecznych potrzebne są duże obszary lądowe. Nie można jednak wykluczyć obszarów, na których produkowane jest paliwo na potrzeby tradycyjnych elektrowni.

Jest jeszcze inny, bardziej przekonujący argument przemawiający za wieżowymi elektrowniami słonecznymi. Specyficzna powierzchnia gruntów zalewanych przez sztuczne zbiorniki elektrowni wodnych to 169 hektarów/MW, czyli wielokrotnie więcej niż wskaźniki takich elektrowni słonecznych. Co więcej, podczas budowy elektrowni wodnych często dochodzi do zalewania bardzo cennych żyznych gruntów, a wieżowe SPP mają być budowane na terenach pustynnych – na gruntach nienadających się ani pod rolnictwo, ani pod budowę obiektów przemysłowych.

Innym powodem krytyki wieżowych SPP jest ich wysokie zużycie materiałów. Wątpliwości budzi nawet to, czy SES będzie w stanie zwrócić energię włożoną w produkcję sprzętu i pozyskanie materiałów użytych do jego budowy w przewidywanym okresie eksploatacji.

Rzeczywiście, takie instalacje są materiałochłonne, ale istotne jest, aby praktycznie wszystkich materiałów, z których budowane są nowoczesne elektrownie słoneczne, nie brakowało.Obliczenia ekonomiczne przeprowadzone po uruchomieniu pierwszych nowoczesnych wieżowych elektrowni słonecznych wykazały ich wysoką wydajność i dość korzystne okresy zwrotu (przykłady ekonomicznie udanych projektów poniżej).

Kolejną rezerwą na zwiększenie efektywności elektrowni słonecznych z wieżą jest tworzenie elektrowni hybrydowych, w których elektrownie słoneczne będą współpracowały z konwencjonalnymi elektrowniami cieplnymi na paliwo tradycyjne.W elektrowni skojarzonej, w godzinach intensywnego promieniowania słonecznego, paliwo elektrownia zmniejsza swoją moc i „przyspiesza” przy pochmurnej pogodzie i szczytowym obciążeniu.

Przykłady nowoczesnych elektrowni słonecznych

W czerwcu 2008 r. firma Bright Source Energy otworzyła centrum rozwoju energii słonecznej na izraelskiej pustyni Negew.

Na stronie znajduje się w parku przemysłowym Rotemazainstalowano ponad 1600 heliostatów, które podążają za słońcem i odbijają światło na 60-metrowej wieży słonecznej. Skoncentrowana energia jest następnie wykorzystywana do ogrzewania kotła na szczycie wieży do 550°C, wytwarzając parę, która jest przesyłana do turbiny, w której wytwarzana jest energia elektryczna. Moc elektrowni 5 MW.

W 2019 roku ta sama firma zbudowała nową elektrownię na pustyni Negew —Ashalim… Toya Składająca się z trzech sekcji z trzema różnymi technologiami elektrownia łączy trzy rodzaje energii: słoneczną energię cieplną, energię fotowoltaiczną i gaz ziemny (elektrownia hybrydowa). Moc zainstalowana wieży słonecznej wynosi 121 MW.

Stacja zawiera 50 600 sterowanych komputerowo heliostatów, co wystarczy do zasilenia 120 000 domów. Wysokość wieży wynosi 260 metrów.Była najwyższa na świecie, ale ostatnio została przewyższona przez 262,44-metrową wieżę fotowoltaiczną w Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Elektrownia na pustyni Negew w Izraelu

Latem 2009 roku amerykańska firma eSolar zbudowała wieżę fotowoltaiczną Wieża słoneczna Sierra dla elektrowni o mocy 5 MW zlokalizowanej w Lancaster w Kalifornii, około 80 km na północ od Los Angeles.Elektrownia zajmuje obszar około 8 hektarów w suchej dolinie na zachód od pustyni Mojave na 35° szerokości geograficznej północnej.

Wieża słoneczna Sierra

Na dzień 9 września 2009 roku na przykładzie istniejących elektrowni oszacowano, że koszt budowy wieżowej elektrowni słonecznej (CSP) wynosi od 2,5 do 4 USD za wat, podczas gdy paliwo (promieniowanie słoneczne) jest bezpłatne . Tym samym budowa takiej elektrowni o mocy 250 MW kosztuje od 600 do 1000 mln dolarów. Oznacza to od 0,12 do 0,18 dolara/kWh.

Stwierdzono również, że nowe elektrownie CSP mogą być ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do paliw kopalnych.

Nathaniel Bullard, analityk Bloomberg New Energy Finance, oszacował, że koszt energii elektrycznej wytwarzanej przez uruchomioną w 2014 roku elektrownię słoneczną Iwanpa jest niższy niż koszt energii elektrycznej wytwarzanej przez Elektrownia fotowoltaiczna, i jest prawie taka sama jak energia elektryczna z elektrowni gazowej.

Najbardziej znaną obecnie elektrownią słoneczną jest elektrownia Gemasolar o mocy 19,9 MW, zlokalizowany na zachód od miasta Esia w Andaluzji (Hiszpania). Elektrownia została zainaugurowana przez króla Hiszpanii Juana Carlosa 4 października 2011 r.

Elektrownia Gemsolar

Projekt ten, który otrzymał grant Komisji Europejskiej w wysokości 5 mln euro, wykorzystuje technologię przetestowaną przez amerykańską firmę Solar Two:

• W 2493 heliostatach o łącznej powierzchni 298 000 m2 zastosowano szkło o lepszym współczynniku odbicia, którego uproszczona konstrukcja obniża koszty produkcji o 45%.

• Większy system magazynowania energii cieplnej o pojemności 8500 ton stopionych soli (azotanów), zapewniający autonomię 15 godzin (około 250 MWh) przy braku światła słonecznego.

• Ulepszona konstrukcja pompy, która umożliwia pompowanie soli bezpośrednio ze zbiorników magazynowych bez konieczności stosowania studzienki.

• System wytwarzania pary z wymuszoną recyrkulacją pary.

• Turbina parowa o wyższym ciśnieniu i wyższej wydajności.

• Uproszczony obieg cyrkulacji stopionej soli, zmniejszający o połowę liczbę wymaganych zaworów.

Elektrownia (wieża i heliostaty) zajmuje łączną powierzchnię 190 hektarów.

Wieża fotowoltaiczna SPP Gemasolar

Abengoa zbudowała Hej słoneczna w RPA — elektrownia o wysokości 205 metrów i mocy 50 MW. Ceremonia otwarcia odbyła się 27 sierpnia 2013 r.

Hej słoneczna

System generowania energii słonecznej Ivanpah — elektrownia słoneczna o mocy 392 megawatów (MW) na kalifornijskiej pustyni Mojave, 40 mil na południowy zachód od Las Vegas. Elektrownia została uruchomiona 13 lutego 2014 roku.

System generowania energii słonecznej Ivanpah

Roczna produkcja tego SPP pokrywa konsumpcję 140 000 gospodarstw domowych. Zainstalowano 173 500 luster heliostatu skupiających energię słoneczną na generatorach pary umieszczonych na trzech centralnych wieżach słonecznych.

W marcu 2013 roku została podpisana umowa z Bright Source Energy na budowę elektrowni Spalony w Kalifornii, składający się z dwóch 230-metrowych wież (po 250 MW każda), oddanie do użytku planowane na 2021 rok.

Inne działające elektrownie słoneczne z wieżami: Solar Park (Dubaj, 2013), Nur III (Maroko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha i Shouhang Dunhuang (Kathai, oba 2018.), Gonghe, Luneng Haixi i Hami (Chiny, cały 2019), Cerro Dominador (Chile, kwiecień 2021).

Innowacyjne rozwiązanie dla energii słonecznej

Ponieważ technologia ta działa najlepiej na obszarach o wysokim nasłonecznieniu (promieniowanie słoneczne), eksperci przewidują, że największy wzrost liczby wieżowych elektrowni słonecznych nastąpi w miejscach takich jak Afryka, Meksyk i południowo-zachodnie Stany Zjednoczone.

Uważa się również, że skoncentrowana energia słoneczna ma poważne perspektywy i może zaspokoić nawet 25% światowego zapotrzebowania na energię do 2050 roku. Obecnie na świecie powstaje ponad 50 nowych projektów tego typu elektrowni.