Торањ термо соларне електране, системи за концентрацију соларне енергије

Сунце је извор изузетно „чисте“ енергије. Данас се широм света рад на коришћењу Сунца развија у многим правцима. Пре свега, развија се такозвана мала електропривреда, која углавном обухвата грејање зграда и снабдевање топлотом. Али озбиљни кораци су већ предузети у области енергетике великих размера — соларне електране се стварају на основу фотоконверзије и термалне конверзије. У овом чланку ћемо вам рећи о перспективама станица из другог правца.

Технологија концентрисане соларне енергије, позната широм света као ЦСП (Цонцентратед Солар Повер), је врста соларне електране која користи огледала или сочива да концентрише велике количине сунчеве светлости на малом простору.

ЦСП не треба мешати са концентрисаним фотонапонима — такође познатим као ЦПВ (концентрисани фотонапон). У ЦСП, концентрисана сунчева светлост се претвара у топлоту, а топлота се затим претвара у електричну енергију.С друге стране, у ЦПВ-у, концентрисана сунчева светлост се директно претвара у електричну енергију путем фотоелектрични ефекат.

Индустријска употреба соларних концентратора

Соларна енергија

Сунце шаље снажан ток блиставе енергије у правцу земље. Чак и ако узмемо у обзир да се 2/3 тога рефлектује и распршује у атмосфери, ипак земљина површина за 12 месеци добије 1018 кВх енергије, што је 20.000 пута више него што свет потроши за годину дана.

Природно је да је коришћење овог неисцрпног извора енергије у практичне сврхе одувек изгледало веома примамљиво. Међутим, време је пролазило, човек је у потрази за енергијом створио топлотни мотор, блокирао реке, раздвојио атом и Сунце је наставило да чека у крилима.

Зашто је тако тешко контролисати његову енергију? Прво, током дана се мења интензитет сунчевог зрачења, што је изузетно незгодно за потрошњу. То значи да соларна станица мора имати батеријску инсталацију или радити заједно са другим изворима. Али ово још увек није највећи недостатак. Много горе, густина сунчевог зрачења на површини земље је веома мала.

Дакле, у јужним регионима Русије, то је само 900 — 1000 В / м2... Ово је довољно само за загревање воде у најједноставнијим колекторима до температуре не више од 80 — 90 ° Ц.

Погодан је за снабдевање топлом водом и делимично за грејање, али ни у ком случају за производњу електричне енергије. Овде су потребне много више температуре. Да би се повећала густина флукса, потребно га је сакупити са велике површине и трансформисати из расутог у концентрисано.

Производња енергије са соларним концентрационим системима

Методе концентрације сунчеве енергије познате су од давнина.Сачувана је легенда о томе како је велики Архимед, уз помоћ конкавних углачаних бакарних огледала, спалио римску флоту која га је опседала у 3. веку пре нове ере. НС. Сирацусе. И иако ова легенда није потврђена историјским документима, сама могућност загревања било које супстанце у фокусу параболичног огледала до температуре од 3500-4000 ° Ц је неоспорна чињеница.

Покушаји употребе параболичких огледала за генерисање корисне енергије почели су у другој половини 19. века. Посебно се интензивно радило у САД, Енглеској и Француској.

Експериментално параболично огледало за коришћење соларне топлотне енергије у Лос Анђелесу, САД (око 1901).

Године 1866, Аугустин Моуцхауд је користио параболички цилиндар за производњу паре у првој соларној парној машини.

Соларна електрана А. Моуцхауда, демонстрирана на Светској индустријској изложби у Паризу 1882. године, оставила је огроман утисак на савременике.

Први патент за соларни колектор добио је Италијан Алесандро Батаља у Ђенови (Италија) 1886. У наредним годинама, проналазачи као што су Џон Ериксон и Френк Шуман развили су уређаје који раде тако што концентришу сунчеву енергију за наводњавање, хлађење и кретање.

Соларни мотор, 1882

Соларна електрана Франка Шумана у Каиру

У близини Каира је 1912. године изграђена прва соларна електрана снаге 45 кВ са параболично-цилиндричним концентраторима укупне површине 1200 м22 која је коришћена у систему за наводњавање. Цеви су постављене у фокус сваког огледала. Сунчеви зраци били су концентрисани на њиховој површини.Вода у цевима претвара се у пару, која се сакупља у заједничком колектору и доводи до парне машине.

Уопштено говорећи, треба напоменути да је ово био период када је вера у фантастичну моћ фокусирања огледала завладала многим умовима. Својеврсни доказ ових нада постао је роман А.Толстоја „Хиперболоид инжењера Гарина“.

Заиста, у бројним индустријама таква огледала се широко користе. На овом принципу многе земље су изградиле пећи за топљење ватросталних материјала високе чистоће. На пример, Француска има највећу пећ на свету са капацитетом од 1 МВ.

А шта је са инсталацијама за производњу електричне енергије? Овде су се научници суочили са бројним потешкоћама. Пре свега, испоставило се да су трошкови система фокусирања са сложеним површинама огледала веома високи. Такође, како се величина огледала повећава, цена се експоненцијално повећава.

Такође, направите огледало површине 500-600 м2 технички тешко, а из њега можете добити не више од 50 кВ снаге. Јасно је да је под овим условима јединична снага соларног пријемника значајно ограничена.

И још једно важно разматрање о системима закривљених огледала. У принципу, прилично велики системи се могу саставити од појединачних модула.

За тренутне инсталације овог типа погледајте овде: Примери коришћења соларних концентратора

Параболично корито које се користи у концентрисаној соларној електрани Лоцкхарт близу језера Харпер, Калифорнија (Соларни пројекат Мојаве)

Сличне електране су изграђене у многим земљама. Међутим, постоји озбиљан недостатак у њиховом раду - тешкоћа у прикупљању енергије.На крају крајева, свако огледало има свој генератор паре у фокусу, и сви су распоређени на великој површини. То значи да се пара мора сакупљати из многих соларних пријемника, што у великој мери компликује и повећава цену станице.

Соларни торањ

Још у предратним годинама, инжењер Н.В. Линицки је изнео идеју о термо соларној електрани са централним соларним пријемником смештеним на високом торњу (соларна електрана типа торањ).

Крајем 1940-их, научници из Државног истраживачког института за енергетику (ЕНИН) по имену В.И. Г. М. Кржижановски, Р. Р. Апариси, В. А. Баум и Б. А. Гарф развили су научни концепт за стварање такве станице. Предложили су да се напусте сложена скупа закривљена огледала, замењујући их најједноставнијим равним хелиостатима.

Принцип рада соларних електрана из торња је прилично једноставан. Сунчеви зраци се одбијају од више хелиостата и усмеравају на површину централног пријемника — соларног генератора паре постављеног на торњу.

У складу са положајем Сунца на небу, аутоматски се мења и оријентација хелиостата. Као резултат тога, током целог дана, концентрисани ток сунчеве светлости, рефлектован од стотина огледала, загрева генератор паре.

Разлика између СПП дизајна који користе параболичке концентраторе, СПП са диск концентраторима и СПП са торња

Испоставило се да је ово решење једноставно колико и оригинално. Али најважније је било то што је у принципу постало могуће створити велике соларне електране са јединичном снагом од стотина хиљада кВ.

Од тада, концепт соларне термоелектране типа торањ је стекао светско признање. Тек касних 1970-их, такве станице капацитета од 0,25 до 10 МВ изграђене су у САД, Француској, Шпанији, Италији и Јапану.

Соларни торањ СЕС Тхемис у Пиринејима-Ориенталес у Француској

По овом совјетском пројекту, 1985. године на Криму, у близини града Штелкино, изграђена је експериментална соларна електрана типа торањ снаге 5 МВ (СЕС-5).

У СЕС-5 се користи отворени кружни соларни генератор паре чије су површине, како кажу, отворене за све ветрове. Стога, при ниским температурама околине и великим брзинама ветра, конвективни губици се нагло повећавају и ефикасност значајно опада.

Сада се верује да су пријемници типа шупљине много ефикаснији. Овде су све површине генератора паре затворене, због чега су конвективни и радијациони губици нагло смањени.

Због ниских параметара паре (250 °Ц и 4МПа), топлотна ефикасност СЕС-5 је само 0,32.

После 10 година рада 1995. године СЕС-5 на Криму је затворен, а 2005. кула је предат на отпад.

Модел СЕС-5 у Политехничком музеју

Торањ соларне електране које тренутно раде користе нове дизајне и системе који користе растопљене соли (40% калијум нитрата, 60% натријум нитрата) као радне течности. Ови радни флуиди имају већи топлотни капацитет од морске воде, која је коришћена у првим експерименталним инсталацијама.

Технолошки дијаграм савремене соларне термоелектране

Модерна торањска соларна електрана

Наравно, соларне електране су нов и компликован посао и наравно имају довољно противника. Многе сумње које износе имају сасвим добре разлоге, али се тешко може сложити са другима.

На пример, често се каже да су велике површине потребне за изградњу соларних електрана у торњевима. Међутим, не могу се искључити области у којима се производи гориво за рад традиционалних електрана.

Постоји још један убедљивији случај у корист торањских соларних електрана. Специфична површина земљишта поплављеног вештачким резервоарима хидроелектрана је 169 хектара / МВ, што је вишеструко више од показатеља таквих соларних електрана. Штавише, приликом изградње хидроелектрана често бивају плављене веома вредне плодне земље, а куле СПП би требало да се граде у пустињским пределима – на земљиштима која нису погодна ни за пољопривреду ни за изградњу индустријских објеката.

Други разлог за критику кула СПП је њихова велика потрошња материјала. Постоји чак и сумња да ли ће СЕС моћи да врати енергију утрошену на производњу опреме и добијање материјала употребљених за њену изградњу током предвиђеног периода рада.

Заиста, такве инсталације су материјално интензивне, али је битно да практично сви материјали од којих се граде модерне соларне електране не буду дефицитарне.Економски прорачуни који су обављени након пуштања у рад првих модерних соларних електрана у торњеву показали су њихову високу ефикасност и прилично повољне периоде отплате (види доле примере економски успешних пројеката).

Друга резерва за повећање ефикасности соларних електрана са торњем је стварање хибридних постројења, у којима ће соларне електране радити заједно са конвенционалним термоелектранама на традиционално гориво.У комбинованом постројењу, у сатима интензивног сунчевог зрачења, гориво постројење смањује своју снагу и "убрзава" по облачном времену и при вршним оптерећењима.

Примери савремених соларних електрана

У јуну 2008. Бригхт Соурце Енерги је отворио центар за развој соларне енергије у израелској пустињи Негев.

На сајту се налази у индустријском парку Ротема, инсталирано је преко 1.600 хелиостата који прате сунце и рефлектују светлост на соларни торањ од 60 метара. Концентрисана енергија се затим користи за загревање котла на врху торња на 550°Ц, стварајући пару која се шаље у турбину где се производи електрична енергија. Капацитет електране 5 МВ.

Иста компанија је 2019. године изградила нову електрану у пустињи Негев —Асхалим… Тоиа Састоји се од три секције са три различите технологије, фабрика комбинује три врсте енергије: соларну топлотну енергију, фотонапонску енергију и природни гас (хибридна електрана). Инсталисана снага соларног торња је 121 МВ.

Станица укључује 50.600 компјутерски контролисаних хелиостата, довољно за напајање 120.000 домова. Висина торња је 260 метара.Био је највиши на свету, али га је недавно надмашио соларни торањ од 262,44 метара у Соларном парку Мохамед бин Рашид Ал Мактум.

Електрана у пустињи Негев у Израелу

У лето 2009. америчка компанија еСолар изградила је соларни торањ Сијера соларни торањ за електрану од 5 МВ која се налази у Ланкастеру, Калифорнија, око 80 км северно од Лос Анђелеса.Електрана покрива површину од око 8 хектара у сувој долини западно од пустиње Мојаве на 35°Н географске ширине.

Сијера соларни торањ

Од 9. септембра 2009. године, на основу примера постојећих електрана, процењено је да је цена изградње торња соларне електране (ЦСП) 2,5 до 4 долара по вату, док је гориво (соларно зрачење) бесплатно. . Тако изградња овакве електране снаге 250 МВ кошта од 600 до 1000 милиона америчких долара. То значи од 0,12 до 0,18 долара / кВх.

Такође је утврђено да нова ЦСП постројења могу бити економски конкурентна фосилним горивима.

Натханиел Буллард, аналитичар Блоомберг Нев Енерги Финанце, проценио је да је цена електричне енергије коју производи соларна електрана Иванпа, покренута 2014. године, нижа од електричне енергије коју производи Фотонапонска електрана, и скоро је исто што и електрична енергија из електране на природни гас.

Најпознатија од соларних електрана тренутно је електрана Гемасолар са капацитетом од 19,9 МВ, који се налази западно од града Есије у Андалузији (Шпанија). Електрану је свечано отворио шпански краљ Хуан Карлос 4. октобра 2011. године.

Гемсоларна електрана

Овај пројекат, који је добио грант од 5 милиона евра од Европске комисије, користи технологију коју је тестирала америчка компанија Солар Тво:

• 2.493 хелиостата укупне површине 298.000 м2 користе стакло боље рефлексије, чији поједностављени дизајн смањује трошкове производње за 45%.

• Већи систем за складиштење топлотне енергије са капацитетом од 8.500 тона растопљених соли (нитрата), који обезбеђује аутономију од 15 сати (приближно 250 МВх) у одсуству сунчеве светлости.

• Побољшан дизајн пумпе који омогућава пумпање соли директно из резервоара за складиштење без потребе за коритом.

• Систем за производњу паре укључујући принудну рециркулацију паре.

• Парна турбина са већим притиском и већом ефикасношћу.

• Поједностављени круг циркулације растопљене соли, преполовивши број потребних вентила.

Електрана (торањ и хелиостати) покрива укупну површину од 190 хектара.

СПП Гемасоларни соларни торањ

Абенгоа је изградио Хеј сунчано у Јужној Африци — електрана висине 205 метара и снаге 50 МВ. Свечано отварање је одржано 27. августа 2013. године.

Хеј сунчано

Иванпах соларни електрични генераторски систем — соларна електрана од 392 мегавата (МВ) у пустињи Мохаве у Калифорнији, 40 миља југозападно од Лас Вегаса. Електрана је пуштена у рад 13. фебруара 2014. године.

Иванпах соларни електрични генераторски систем

Годишња производња ове СПП покрива потрошњу 140.000 домаћинстава. Инсталирано 173.500 огледала хелиостата који фокусирају соларну енергију на генераторе паре који се налазе на три централна соларна торња.

У марту 2013. потписан је уговор са Бригхт Соурце Енерги о изградњи електране Спаљен у Калифорнији, који се састоји од две куле од 230 м (по 250 МВ), пуштање у рад планирано за 2021.

Остале оперативне соларне торањске електране: Соларни парк (Дубаи, 2013), Нур ИИИ (Мароко, 2014), Цресцент Дунес (Невада, САД, 2016), СУПЦОН Делингха и Схоуханг Дунхуанг (Катаи, обе 2018), Гонгхе, Луненг Хаики и Хами (Кина, све 2019), Серо Доминадор (Чиле, април 2021).

Иновативно решење за соларну енергију

Пошто ова технологија најбоље функционише у областима са високом инсолацијом (сунчево зрачење), стручњаци предвиђају да ће највећи раст броја торњева соларних електрана бити у местима попут Африке, Мексика и југозапада Сједињених Држава.

Верује се и да концентрисана соларна енергија има озбиљне изгледе и да може да обезбеди до 25% светских енергетских потреба до 2050. Тренутно се у свету развија више од 50 нових пројеката ове врсте електрана.