Tower termiske solkraftverk, solenergi konsentrere systemer

Solen er en kilde til ekstremt "ren" energi. I dag, over hele verden, utvikler arbeidet med bruken av solen seg i mange retninger. Først og fremst utvikler den såkalte småkraftindustrien, som i hovedsak omfatter bygningsvarme og varmeforsyning. Men seriøse skritt er allerede tatt innen storskala energi - solenergianlegg blir opprettet på grunnlag av fotokonvertering og termisk konvertering. I denne artikkelen vil vi fortelle deg om utsiktene til stasjoner fra den andre retningen.

Concentrated Solar Power-teknologi, kjent over hele verden som CSP (Concentrated Solar Power), er en type solkraftverk som bruker speil eller linser for å konsentrere store mengder sollys til et lite område.

CSP bør ikke forveksles med konsentrert fotovoltaikk - også kjent som CPV (konsentrert solcelle). I CSP blir konsentrert sollys omdannet til varme, og varmen blir deretter omdannet til elektrisitet.På den annen side, i CPV, omdannes konsentrert sollys direkte til elektrisitet via fotoelektrisk effekt.

Industriell bruk av solkonsentratorer

Solenergi

Solen sender en kraftig strøm av strålende energi i retning av jorden. Selv om vi tar i betraktning at 2/3 av det reflekteres og spres av atmosfæren, mottar likevel jordoverflaten 1018 kWh energi på 12 måneder, som er 20 000 ganger mer enn verden forbruker på et år.

Det er naturlig at det å bruke denne uuttømmelige energikilden til praktiske formål alltid har virket veldig fristende. Men tiden gikk, mennesket på jakt etter energi skapte en varmemotor, blokkerte elver, splittet et atom og solen fortsatte å vente i vingene.

Hvorfor er det så vanskelig å kontrollere energien hans? For det første endres intensiteten av solstråling i løpet av dagen, noe som er ekstremt upraktisk for forbruk. Det betyr at solcellestasjonen må ha batteriinstallasjon eller fungere sammen med andre kilder. Men dette er fortsatt ikke den største ulempen. Mye verre er tettheten av solstråling på jordoverflaten veldig lav.

Så i de sørlige regionene i Russland er det bare 900 - 1000 W / m2 ... Dette er nok bare til å varme opp vannet i de enkleste samlerne til temperaturer på ikke mer enn 80 - 90 ° C.

Den er egnet for varmtvannsforsyning og delvis til oppvarming, men ikke i noe tilfelle for elektrisitetsproduksjon. Her trengs det mye høyere temperaturer. For å øke flukstettheten er det nødvendig å samle det fra et stort område og transformere det fra spredt til konsentrert.

Energiproduksjon med solkonsentreringsanlegg

Metoder for å konsentrere solenergi har vært kjent siden antikken.Det er bevart en legende om hvordan den store Arkimedes, ved hjelp av konkave polerte kobberspeil, brente den romerske flåten som beleiret den på 300-tallet f.Kr. NS. Syracuse. Og selv om denne legenden ikke er bekreftet av historiske dokumenter, er selve muligheten for oppvarming i fokus av et parabolspeil ethvert stoff til temperaturer på 3500 - 4000 ° C et udiskutabelt faktum.

Forsøk på å bruke parabolske speil for å generere nyttig energi begynte i andre halvdel av 1800-tallet. Spesielt intensivt arbeid ble utført i USA, England og Frankrike.

Et eksperimentelt parabolspeil for bruk av solvarmeenergi i Los Angeles, USA (ca. 1901).

I 1866 brukte Augustin Mouchaud en parabolsylinder for å generere damp i den første soldampmotoren.

A. Mouchauds solkraftverk, demonstrert på verdensindustriutstillingen i Paris i 1882, gjorde et enormt inntrykk på samtiden.

Det første patentet på en solfanger ble oppnådd av italieneren Alessandro Battaglia i Genova (Italia) i 1886. I de påfølgende årene utviklet oppfinnere som John Erickson og Frank Schumann apparater som fungerer ved å konsentrere solenergi for vanning, kjøling og bevegelse.

Solmotor, 1882

Frank Schumanns solcelleanlegg i Kairo

I 1912 ble det første solkraftverket med en kapasitet på 45 kW bygget nær Kairo med parabolsk-sylindriske konsentratorer med et samlet areal på 1200 m22 som ble brukt i vanningssystemet. Rørene ble plassert i fokus for hvert speil. Solens stråler var konsentrert på overflaten deres.Vannet i rørene blir til damp, som samles opp i en felles oppsamler og føres til dampmaskinen.

Generelt bør det bemerkes at dette var en periode da troen på den fantastiske fokuseringskraften til speil tok tak i mange sinn. A. Tolstoys roman «The Hyperboloid of Engineer Garin» ble et slags bevis på disse håpene.

Faktisk, i en rekke bransjer er slike speil mye brukt. På dette prinsippet har mange land bygget ovner for smelting av ildfaste materialer med høy renhet. For eksempel har Frankrike den største ovnen i verden med en kapasitet på 1 MW.

Og hva med installasjoner for å generere elektrisk energi? Her har forskere møtt en rekke vanskeligheter. Først av alt viste kostnadene for fokuseringssystemer med komplekse speiloverflater seg å være veldig høye. Dessuten, ettersom størrelsen på speilene øker, øker kostnadene eksponentielt.

Lag også et speil med et areal på 500 - 600 m2 teknisk vanskelig, og du kan ikke få mer enn 50 kW kraft fra det. Det er klart at under disse forholdene er enhetseffekten til solcellemottakeren betydelig begrenset.

Og en annen viktig vurdering om buede speilsystemer. I prinsippet kan ganske store systemer settes sammen fra individuelle moduler.

For aktuelle installasjoner av denne typen se her: Eksempler på bruk av solkonsentratorer

Parabolsk trau brukt ved Lockhart Concentrated Solar Power Plant nær Harper Lake, California (Mojave Solar Project)

Lignende kraftverk er bygget i mange land. Imidlertid er det en alvorlig ulempe i arbeidet deres - vanskeligheten med å samle energi.Tross alt har hvert speil sin egen dampgenerator i fokus, og de er alle spredt over et stort område. Dette betyr at dampen må samles opp fra mange solmottakere, noe som kompliserer og øker kostnadene for stasjonen.

Solcelletårn

Selv i førkrigsårene fremmet ingeniøren N. V. Linitsky ideen om et termisk solkraftverk med en sentral solcellemottaker plassert på et høyt tårn (solkraftverk av tårntype).

På slutten av 1940-tallet ble forskere fra Statens forskningsinstitutt for energi (ENIN) oppkalt etter V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum og B. A. Garf utviklet et vitenskapelig konsept for å lage en slik stasjon. De foreslo å forlate de komplekse dyre buede speilene, og erstatte dem med de enkleste flate heliostatene.

Prinsippet for drift av solenergianlegg fra et tårn er ganske enkelt. Solens stråler reflekteres av flere heliostater og rettes mot overflaten av en sentral mottaker - en solenergi-dampgenerator plassert på tårnet.

I samsvar med solens posisjon på himmelen, endres retningen til heliostater også automatisk. Som et resultat, gjennom dagen, varmer en konsentrert strøm av sollys, reflektert av hundrevis av speil, opp dampgeneratoren.

Forskjellen mellom SPP-design som bruker parabolske konsentratorer, SPP med platekonsentratorer og SPP fra et tårn

Denne løsningen viste seg å være like enkel som den var original. Men det viktigste var at det i prinsippet ble mulig å lage store solkraftverk med en enhetseffekt på hundretusenvis av kW.

Siden den gang har konseptet med solvarmekraftverk av tårntypen fått verdensomspennende anerkjennelse. Først på slutten av 1970-tallet ble slike stasjoner med en kapasitet på 0,25 til 10 MW bygget i USA, Frankrike, Spania, Italia og Japan.

SES Themis soltårn i Pyrenees-Orientales i Frankrike

I henhold til dette sovjetiske prosjektet ble det i 1985 på Krim, nær byen Shtelkino, bygget et eksperimentelt solkraftverk av tårntypen med en kapasitet på 5 MW (SES-5).

I SES-5 brukes en åpen sirkulær solar dampgenerator, hvis overflater, som de sier, er åpne for alle vinder. Derfor, ved lave omgivelsestemperaturer og høye vindhastigheter, øker konveksjonstapene kraftig og effektiviteten reduseres betydelig.

Mottakere av hulromstype antas nå å være mye mer effektive. Her er alle overflater på dampgeneratoren lukket, på grunn av dette reduseres konveksjonstap og strålingstap kraftig.

På grunn av de lave dampparametrene (250 °C og 4MPa), er den termiske effektiviteten til SES-5 bare 0,32.

Etter 10 års drift i 1995 ble SES-5 på Krim stengt, og i 2005 ble tårnet overlevert til skrot.

Modell SES-5 i Polyteknisk museum

Tårnsolkraftverk som for tiden er i drift, bruker nye design og systemer som bruker smeltede salter (40 % kaliumnitrat, 60 % natriumnitrat) som arbeidsvæsker. Disse arbeidsvæskene har høyere varmekapasitet enn sjøvann, som ble brukt i de første forsøksinstallasjonene.

Teknologisk diagram av et moderne solvarmekraftverk

Moderne tårn solkraftverk

Solkraftverk er selvsagt en ny og komplisert virksomhet og har naturligvis nok motstandere. Mange av tvilen de uttrykker har ganske gode grunner, men man kan vanskelig være enig med andre.

For eksempel sies det ofte at det kreves store landområder for å bygge tårnsolkraftverk. Områdene hvor det produseres drivstoff for drift av tradisjonelle kraftverk kan imidlertid ikke utelukkes.

Det er en annen mer overbevisende sak i favør av tårnsolkraftverk. Det spesifikke området av landet oversvømmet av kunstige reservoarer av vannkraftverk er 169 hektar / MW, som er mange ganger høyere enn indikatorene for slike solkraftverk. Dessuten, under bygging av vannkraftverk, oversvømmes ofte svært verdifulle fruktbare landområder, og tårn-SPP-er skal bygges i ørkenområder - på land som verken er egnet for landbruk eller for bygging av industrianlegg.

En annen grunn til kritikk av tårn-SPP er deres høye materialforbruk. Det er til og med tvil om SES vil være i stand til å returnere energien brukt på produksjon av utstyr og innhenting av materialer brukt til konstruksjonen i løpet av den estimerte driftsperioden.

Slike installasjoner er faktisk materialkrevende, men det er viktig at praktisk talt alle materialer som moderne solkraftverk bygges av ikke er mangelvare.Økonomiske beregninger utført etter lanseringen av de første moderne tårnsolkraftverkene viste deres høye effektivitet og ganske gunstige tilbakebetalingsperioder (se nedenfor for eksempler på økonomisk vellykkede prosjekter).

En annen reserve for å øke effektiviteten til solkraftverk med et tårn er etableringen av hybridanlegg, der solenergianlegg vil fungere sammen med konvensjonelle termiske anlegg av tradisjonelt brensel. På det kombinerte anlegget, i timene med intens solstråling, er drivstoffet anlegget reduserer kraften og "akselererer" i overskyet vær og ved toppbelastninger.

Eksempler på moderne solkraftverk

I juni 2008 åpnet Bright Source Energy et utviklingssenter for solenergi i Israels Negev-ørken.

På stedet ligger den i Rotema industripark, er det installert over 1600 heliostater som følger solen og reflekterer lys på et 60 meter langt soltårn. Den konsentrerte energien brukes deretter til å varme opp kjelen på toppen av tårnet til 550°C, og genererer damp som sendes til en turbin hvor elektrisitet genereres. Kraftverkskapasitet 5 MW.

I 2019 bygde det samme selskapet et nytt kraftverk i Negev-ørkenen —Ashalim… Toya Anlegget består av tre seksjoner med tre forskjellige teknologier, og kombinerer tre typer energi: termisk solenergi, solcelleenergi og naturgass (hybridkraftverk). Den installerte effekten til soltårnet er 121 MW.

Stasjonen inkluderer 50 600 datastyrte heliostater, nok til å drive 120 000 hjem. Høyden på tårnet er 260 meter.Det var det høyeste i verden, men ble nylig overgått av det 262,44 meter store soltårnet ved Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Et kraftverk i Negev-ørkenen i Israel

Sommeren 2009 bygde det amerikanske selskapet eSolar et solcelletårn Sierra Solar Tower for et 5 MW kraftverk lokalisert i Lancaster, California, ca 80 km nord for Los Angeles. Kraftverket dekker et område på ca 8 hektar i en tørr dal vest for Mojave-ørkenen på 35°N breddegrad.

Sierra Solar Tower

Per 9. september 2009, basert på eksemplet med eksisterende kraftverk, ble det estimert at kostnadene ved å bygge et tårnsolkraftverk (CSP) er USD 2,5 til USD 4 per watt, mens drivstoffet (solstråling) er gratis . Dermed koster byggingen av et slikt kraftverk med en kapasitet på 250 MW fra 600 til 1000 millioner amerikanske dollar. Dette betyr fra 0,12 til 0,18 dollar / kWh.

Det ble også funnet at nye CSP-anlegg kan være økonomisk konkurransedyktige med fossilt brensel.

Nathaniel Bullard, analytiker ved Bloomberg New Energy Finance, estimerte at kostnadene for elektrisitet generert av Iwanpa solkraftverk, lansert i 2014, er lavere enn elektrisitet generert av Fotovoltaisk kraftverk, og er nesten det samme som elektrisitet fra et naturgasskraftverk.

Det mest kjente av solkraftverkene for øyeblikket er kraftverket Gemasolar med en kapasitet på 19,9 MW, lokalisert vest for byen Esia i Andalusia (Spania). Kraftverket ble innviet av kong Juan Carlos av Spania 4. oktober 2011.

Gemsolkraftverk

Dette prosjektet, som mottok et tilskudd på 5 millioner euro fra EU-kommisjonen, bruker teknologi testet av det amerikanske selskapet Solar Two:

• 2 493 heliostater med et samlet areal på 298 000 m2 bruker glass med bedre reflektivitet, hvis forenklede design reduserer produksjonskostnadene med 45 %.

• Et større lagringssystem for termisk energi med en kapasitet på 8500 tonn smeltede salter (nitrater), som gir en autonomi på 15 timer (omtrent 250 MWh) i fravær av sollys.

• Forbedret pumpedesign som gjør at salter kan pumpes direkte fra lagertanker uten behov for kum.

• Dampgenereringssystem inkludert tvungen resirkulering av damp.

• Dampturbin med høyere trykk og høyere effektivitet.

• Forenklet sirkulasjonskrets for smeltet salt, halvering av antall nødvendige ventiler.

Kraftverket (tårn og heliostater) dekker et samlet areal på 190 hektar.

SPP Gemasolar Solar Tower

Abengoa har bygget Hei solfylte en i Sør-Afrika — en kraftstasjon med en høyde på 205 meter og en kapasitet på 50 MW. Åpningsseremonien fant sted 27. august 2013.

Hei solfylte en

Ivanpah Solar Electric Generation System - et 392 megawatt (MW) solkraftverk i Californias Mojave-ørken, 65 mil sørvest for Las Vegas. Kraftverket ble tatt i bruk 13. februar 2014.

Ivanpah Solar Electric Generation System

Den årlige produksjonen til denne SPP dekker forbruket til 140 000 husstander. Installerte 173 500 heliostatspeil som fokuserer solenergi på dampgeneratorer plassert på tre sentrale soltårn.

I mars 2013 ble det signert en avtale med Bright Source Energy om å bygge et kraftverk Brent i California, bestående av to 230 m tårn (250 MW hver), igangsetting planlagt til 2021.

Andre operative soltårnkraftverk: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marokko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha og Shouhang Dunhuang (Kathai, begge 2018.), Gonghe, Luneng Haixi og Hami (Kina, hele 2019), Cerro Dominador (Chile, april 2021).

En innovativ løsning for solenergi

Fordi denne teknologien fungerer best i områder med høy solstråling (solstråling), spår eksperter at den største veksten i antall solkraftverk i tårnet vil være på steder som Afrika, Mexico og det sørvestlige USA.

Det antas også at konsentrert solenergi har seriøse utsikter og at den kan dekke opptil 25 % av verdens energibehov innen 2050. For tiden utvikles mer enn 50 nye prosjekter av denne typen kraftverk i verden.