Bokštinės šiluminės saulės elektrinės, saulės energijos koncentravimo sistemos

Saulė yra itin „švarios“ energijos šaltinis. Šiandien visame pasaulyje Saulės panaudojimo darbai vystosi įvairiomis kryptimis. Visų pirma, vystosi vadinamoji mažoji energetikos pramonė, kuri daugiausia apima pastatų šildymą ir šilumos tiekimą. Tačiau stambios energetikos srityje jau žengta rimtų žingsnių – saulės elektrinės kuriamos fotokonversijos ir šiluminės konversijos pagrindu. Šiame straipsnyje mes jums pasakysime apie stočių perspektyvas iš antrosios krypties.

Koncentruotos saulės energijos technologija, visame pasaulyje žinoma kaip CSP (Concentrated Solar Power), yra saulės elektrinių tipas, kuris naudoja veidrodžius arba lęšius, kad sutelktų didelį saulės šviesos kiekį mažame plote.

CSP nereikėtų painioti su koncentruota fotovolta, dar vadinama CPV (koncentruota fotovolta). CSP koncentruota saulės šviesa paverčiama šiluma, o šiluma paverčiama elektra.Kita vertus, CPV koncentruota saulės šviesa tiesiogiai paverčiama elektros energija per fotoelektrinis efektas.

Pramoninis saulės koncentratorių naudojimas

Saulės energija

Saulė siunčia galingą spinduliuojančios energijos srautą žemės kryptimi. Net jei atsižvelgsime į tai, kad 2/3 jos atsispindi ir išsklaido atmosfera, vis tiek žemės paviršius per 12 mėnesių gauna 1018 kWh energijos, tai yra 20 000 kartų daugiau nei pasaulis suvartoja per metus.

Natūralu, kad šio neišsenkamo energijos šaltinio panaudojimas praktiniais tikslais visada atrodė labai viliojantis. Tačiau laikas praėjo, žmogus, ieškodamas energijos, sukūrė šilumos variklį, užblokavo upes, suskaldė atomą ir Saulė toliau laukė sparnuose.

Kodėl taip sunku suvaldyti jo energiją? Pirma, per dieną kinta saulės spinduliuotės intensyvumas, o tai itin nepatogu vartoti. Tai reiškia, kad saulės stotis turi turėti akumuliatorių arba veikti kartu su kitais šaltiniais. Tačiau tai vis tiek nėra didžiausias trūkumas. Dar blogiau, kad saulės spinduliuotės tankis žemės paviršiuje yra labai mažas.

Taigi pietiniuose Rusijos regionuose jis yra tik 900 - 1000 W / m2... To pakanka tik pašildyti vandenį paprasčiausiuose kolektoriuose iki ne aukštesnės kaip 80 - 90 ° C temperatūros.

Tinka karšto vandens tiekimui ir iš dalies šildymui, bet jokiu būdu ne elektros gamybai. Čia reikia daug aukštesnės temperatūros. Norint padidinti srauto tankį, reikia jį surinkti iš didelio ploto ir transformuoti iš išsklaidyto į koncentruotą.

Energijos gamyba su saulės koncentravimo sistemomis

Saulės energijos koncentravimo būdai žinomi nuo seno.Išliko legenda apie tai, kaip didysis Archimedas įgaubtų poliruoto vario veidrodžių pagalba sudegino jį apgulusį Romos laivyną III amžiuje prieš Kristų. NS. Sirakūzai. Ir nors šios legendos nepatvirtina istoriniai dokumentai, pati galimybė pašildyti bet kurią medžiagą parabolinio veidrodžio židinyje iki 3500–4000 °C temperatūros yra neginčijamas faktas.

Bandymai panaudoti parabolinius veidrodžius naudingai energijai generuoti prasidėjo XIX amžiaus antroje pusėje. Ypač intensyviai buvo dirbama JAV, Anglijoje, Prancūzijoje.

Eksperimentinis parabolinis veidrodis saulės šiluminės energijos panaudojimui Los Andžele, JAV (apie 1901 m.).

1866 m. Augustinas Mouchaud panaudojo parabolinį cilindrą, kad generuotų garą pirmajame saulės garo variklyje.

Pasaulinėje pramonės parodoje Paryžiuje 1882 metais pademonstruota A. Mouchaud saulės elektrinė amžininkams paliko didžiulį įspūdį.

Pirmąjį saulės kolektoriaus patentą 1886 m. gavo italas Alessandro Battaglia Genujoje (Italija). Vėlesniais metais išradėjai, tokie kaip Johnas Ericksonas ir Frankas Schumannas, sukūrė prietaisus, kurie koncentruoja saulės energiją drėkinimui, vėsinimui ir judėjimui.

Saulės variklis, 1882 m

Franko Schumanno saulės elektrinė Kaire

1912 m. netoli Kairo buvo pastatyta pirmoji 45 kW galios saulės elektrinė su 1200 m22 bendro ploto paraboliniais-cilindriniais koncentratoriais, kurie buvo naudojami drėkinimo sistemoje. Vamzdžiai buvo dedami kiekvieno veidrodžio židinyje. Saulės spinduliai buvo sutelkti jų paviršiuje.Vanduo vamzdžiuose virsta garais, kurie surenkami į bendrą kolektorių ir tiekiami į garo mašiną.

Apskritai reikia pastebėti, kad tai buvo laikotarpis, kai tikėjimas fantastiška veidrodžių fokusavimo galia apėmė daugelį žmonių. Savotišku šių vilčių įrodymu tapo A. Tolstojaus romanas „Inžinieriaus Garino hiperboloidas“.

Iš tiesų, daugelyje pramonės šakų tokie veidrodžiai yra plačiai naudojami. Remiantis šiuo principu, daugelis šalių pastatė krosnis, skirtas lydyti didelio grynumo ugniai atsparias medžiagas. Pavyzdžiui, Prancūzija turi didžiausią pasaulyje orkaitę, kurios galia siekia 1 MW.

O kaip dėl elektros energijos gamybos įrenginių? Čia mokslininkai susidūrė su daugybe sunkumų. Visų pirma, fokusavimo sistemų su sudėtingais veidrodiniais paviršiais kaina pasirodė labai didelė. Be to, didėjant veidrodžių dydžiui, išlaidos didėja eksponentiškai.

Taip pat sukurkite veidrodį, kurio plotas 500–600 m2 techniškai sudėtingas ir iš jo galite gauti ne daugiau kaip 50 kW galios. Akivaizdu, kad tokiomis sąlygomis saulės imtuvo vieneto galia yra gerokai apribota.

Ir dar vienas svarbus aspektas apie kreivų veidrodžių sistemas. Iš esmės iš atskirų modulių galima surinkti gana dideles sistemas.

Šiuos šio tipo įrenginius rasite čia: Saulės koncentratorių naudojimo pavyzdžiai

Parabolinis lovelis, naudojamas Lockhart koncentruotoje saulės elektrinėje netoli Harper ežero, Kalifornijoje (Mojave saulės projektas)

Panašios elektrinės buvo pastatytos daugelyje šalių. Tačiau jų darbe yra rimtas trūkumas – energijos rinkimo sunkumai.Juk kiekvienas veidrodis židinyje turi savo garų generatorių ir visi jie pasklidę dideliame plote. Tai reiškia, kad garai turi būti renkami iš daugelio saulės imtuvų, o tai labai apsunkina ir padidina stoties kainą.

Saulės bokštas

Dar prieškario metais inžinierius N. V. Linitskis iškėlė idėją apie šiluminę saulės elektrinę su centriniu saulės energijos imtuvu, esančiu ant aukšto bokšto (bokšto tipo saulės elektrinė).

1940-ųjų pabaigoje mokslininkai iš Valstybinio energetikos tyrimų instituto (ENIN), pavadinto V.I. G. M. Kržižanovskis, R. R. Aparisi, V. A. Baumas ir B. A. Garfas sukūrė mokslinę tokios stoties sukūrimo koncepciją. Jie pasiūlė atsisakyti sudėtingų brangių lenktų veidrodžių, pakeičiant juos paprasčiausiais plokščiais heliostatais.

Saulės elektrinių veikimo principas iš bokšto yra gana paprastas. Saulės spindulius atspindi keli heliostatai ir nukreipiami į centrinio imtuvo paviršių – ant bokšto pastatytą saulės garų generatorių.

Atsižvelgiant į Saulės padėtį danguje, heliostatų orientacija taip pat keičiasi automatiškai. Dėl to visą dieną koncentruotas saulės šviesos srautas, atspindimas šimtų veidrodžių, kaitina garų generatorių.

Skirtumas tarp SPP konstrukcijų naudojant parabolinius koncentratorius, SPP su diskiniais koncentratoriais ir SPP iš bokšto

Šis sprendimas pasirodė toks pat paprastas, koks buvo originalus. Tačiau svarbiausia buvo tai, kad iš principo tapo įmanoma sukurti dideles saulės jėgaines, kurių vienetinė galia siektų šimtus tūkstančių kW.

Nuo tada bokšto tipo saulės šiluminės elektrinės koncepcija pelnė pasaulinį pripažinimą. Tik septintojo dešimtmečio pabaigoje tokios 0,25–10 MW galios stotys buvo pastatytos JAV, Prancūzijoje, Ispanijoje, Italijoje ir Japonijoje.

SES Themis saulės bokštas Rytų Pirėnų kalnuose Prancūzijoje

Pagal šį sovietinį projektą 1985 metais Kryme, netoli Štelkino miesto, buvo pastatyta eksperimentinė bokšto tipo saulės elektrinė, kurios galia 5 MW (SES-5).

SES-5 naudojamas atviras žiedinis saulės garo generatorius, kurio paviršiai, kaip sakoma, atviri visiems vėjams. Todėl esant žemai aplinkos temperatūrai ir dideliam vėjo greičiui, konvekciniai nuostoliai smarkiai padidėja, o efektyvumas gerokai sumažėja.

Dabar manoma, kad ertmės tipo imtuvai yra daug efektyvesni. Čia visi garo generatoriaus paviršiai yra uždaryti, todėl konvekciniai ir radiacijos nuostoliai smarkiai sumažėja.

Dėl žemų garo parametrų (250 °C ir 4MPa) SES-5 šiluminis efektyvumas siekia tik 0,32.

Po 10 veiklos metų 1995 metais SES-5 Kryme buvo uždarytas, o 2005 metais bokštas buvo perduotas į metalo laužą.

Modelis SES-5 Politechnikos muziejuje

Šiuo metu veikiančiose bokštinėse saulės elektrinėse naudojamos naujos konstrukcijos ir sistemos, kuriose kaip darbiniai skysčiai naudojamos išlydytos druskos (40 % kalio nitratas, 60 % natrio nitratas). Šie darbiniai skysčiai turi didesnę šiluminę talpą nei jūros vanduo, kuris buvo naudojamas pirmuosiuose eksperimentiniuose įrenginiuose.

Šiuolaikinės saulės šiluminės elektrinės technologinė schema

Moderni bokštinė saulės elektrinė

Žinoma, saulės elektrinės yra naujas ir sudėtingas verslas ir natūraliai turi pakankamai priešininkų. Daugelis jų išsakomų abejonių turi gana rimtų priežasčių, tačiau vargu ar galima sutikti su kitais.

Pavyzdžiui, dažnai sakoma, kad bokštinėms saulės elektrinėms statyti reikalingi dideli žemės plotai. Tačiau negalima atmesti vietovių, kuriose gaminamas kuras, skirtas tradicinių elektrinių darbui.

Yra dar vienas įtikinamesnis atvejis bokštinių saulės elektrinių naudai. Dirbtinių hidroelektrinių rezervuarų užtvindytos žemės specifinis plotas yra 169 ha/MW, o tai daug kartų viršija tokių saulės elektrinių rodiklius. Be to, statant hidroelektrines dažnai užliejamos labai vertingos derlingos žemės, o bokštiniai SPP turėtų būti statomi dykumose – žemėse, kurios nėra tinkamos nei žemės ūkiui, nei pramonės objektams statyti.

Kita bokšto SPP kritikos priežastis yra didelis medžiagų suvartojimas. Net kyla abejonių, ar SES per numatomą eksploatavimo laikotarpį sugebės grąžinti energiją, išleistą jo statybai sunaudotų įrenginių gamybai ir medžiagoms gauti.

Tiesą sakant, tokie įrengimai reikalauja daug medžiagų, tačiau labai svarbu, kad beveik visų medžiagų, iš kurių statomos modernios saulės elektrinės, nepritrūktų.Ekonominiai skaičiavimai, atlikti paleidus pirmąsias modernias bokštines saulės elektrines, parodė didelį jų efektyvumą ir gana palankų atsipirkimo periodą (ekonomiškai sėkmingų projektų pavyzdžius žr. žemiau).

Kitas saulės elektrinių su bokštu efektyvumo didinimo rezervas – hibridinių elektrinių kūrimas, kuriose saulės elektrinės dirbs kartu su įprastomis tradicinio kuro šiluminėmis elektrinėmis Kombinuotoje elektrinėje intensyvios saulės spinduliuotės valandomis kuras išleidžiamas. įrenginys sumažina savo galią ir „įsibėgėja“ debesuotu oru ir esant didžiausioms apkrovoms.

Šiuolaikinių saulės elektrinių pavyzdžiai

2008 m. birželį „Bright Source Energy“ atidarė saulės energijos plėtros centrą Izraelio Negevo dykumoje.

Svetainėje jis yra Rotemos pramoniniame parke, buvo sumontuota daugiau nei 1600 heliostatų, kurie seka saulę ir atspindi šviesą į 60 metrų saulės bokštą. Tada koncentruota energija naudojama katilui, esančiam bokšto viršuje, pašildyti iki 550°C, gaminant garą, kuris siunčiamas į turbiną, kurioje generuojama elektra. Elektrinės galia 5 MW.

2019 metais ta pati įmonė Negevo dykumoje pastatė naują elektrinę –Ashalimas... „Toya“ gamykla, sudaryta iš trijų sekcijų su trimis skirtingomis technologijomis, jungia tris energijos rūšis: saulės šiluminę energiją, fotovoltinę energiją ir gamtines dujas (hibridinė jėgainė). Saulės bokšto instaliuota galia – 121 MW.

Stotyje yra 50 600 kompiuteriu valdomų heliostatų, kurių pakanka 120 000 namų maitinimui. Bokšto aukštis – 260 metrų.Jis buvo aukščiausias pasaulyje, bet neseniai jį pranoko 262,44 metro aukščio saulės bokštas Mohammed bin Rashid Al Maktoum saulės parke.

Jėgainė Negevo dykumoje Izraelyje

2009 metų vasarą amerikiečių kompanija eSolar pastatė saulės bokštą Siera saulės bokštas 5 MW elektrinei, esančiai Lankasteryje, Kalifornijoje, apie 80 km į šiaurę nuo Los Andželo.Jėgainė užima apie 8 hektarų plotą sausame slėnyje į vakarus nuo Mohave dykumos 35° šiaurės platumos.

Siera saulės bokštas

2009 m. rugsėjo 9 d., remiantis esamų elektrinių pavyzdžiu, buvo apskaičiuota, kad bokštinės saulės elektrinės (CSP) statybos kaina yra 2,5–4 USD už vatą, o kuras (saulės spinduliuotė) yra nemokamas. . Taigi tokios 250 MW galios jėgainės statyba kainuoja nuo 600 iki 1000 milijonų JAV dolerių. Tai reiškia nuo 0,12 iki 0,18 USD / kWh.

Taip pat buvo nustatyta, kad naujos CSP gamyklos gali būti ekonomiškai konkurencingos su iškastiniu kuru.

„Bloomberg New Energy Finance“ analitikas Nathanielis Bullardas apskaičiavo, kad 2014 m. paleistoje Iwanpa saulės jėgainėje pagamintos elektros kaina yra mažesnė nei Fotovoltinė elektrinė, ir yra beveik tas pats, kas elektros energija iš gamtinių dujų jėgainės.

Garsiausia iš saulės elektrinių šiuo metu yra elektrinė Gemasolar 19,9 MW galios, esančios į vakarus nuo Esia miesto Andalūzijoje (Ispanija). Jėgainę 2011 metų spalio 4 dieną atidarė Ispanijos karalius Juanas Carlosas.

Gemsolar elektrinė

Šiame projekte, kuriam Europos Komisija skyrė 5 milijonus eurų, panaudota amerikiečių kompanijos „Solar Two“ išbandyta technologija:

• 2 493 heliostatai, kurių bendras plotas 298 000 m2, naudoja geriau atspindintį stiklą, kurio supaprastinta konstrukcija sumažina gamybos sąnaudas 45%.

• Didesnė šiluminės energijos kaupimo sistema, talpinanti 8500 tonų išlydytų druskų (nitratų), užtikrinanti 15 valandų (apie 250 MWh) autonomiją, kai nėra saulės šviesos.

• Patobulinta siurblio konstrukcija, leidžianti siurbti druskas tiesiai iš rezervuarų, nereikalaujant karterio.

• Garų generavimo sistema, įskaitant priverstinę garų recirkuliaciją.

• Garo turbina su didesniu slėgiu ir didesniu efektyvumu.

• Supaprastinta išlydytos druskos cirkuliacijos grandinė, perpus sumažinus reikalingų vožtuvų skaičių.

Jėgainės (bokštas ir heliostatai) bendras plotas yra 190 hektarų.

SPP Gemasolar saulės bokštas

Abengoa pastatė Ei, saulėtas Pietų Afrikoje – 205 metrų aukščio ir 50 MW galios elektrinė. Atidarymo ceremonija įvyko 2013 m. rugpjūčio 27 d.

Ei, saulėtas

Ivanpah saulės elektros energijos generavimo sistema — 392 megavatų (MW) saulės elektrinė Kalifornijos Mohave dykumoje, 40 mylių į pietvakarius nuo Las Vegaso. Jėgainė pradėta eksploatuoti 2014 metų vasario 13 dieną.

Ivanpah saulės elektros energijos generavimo sistema

Šios SPP metinė produkcija apima 140 000 namų ūkių suvartojimą. Sumontuota 173 500 heliostatinių veidrodžių, nukreipiančių saulės energiją į garo generatorius, esančius trijuose centriniuose saulės bokštuose.

2013 metų kovą buvo pasirašyta sutartis su „Bright Source Energy“ dėl elektrinės statybos Sudegintas Kalifornijoje, susidedantis iš dviejų 230 m bokštų (kiekvienas po 250 MW), eksploatacijos pradžia numatyta 2021 m.

Kitos veikiančios saulės bokšto elektrinės: Saulės parkas (Dubajus, 2013), Nur III (Marokas, 2014), Crescent Dunes (Nevada, JAV, 2016), SUPCON Delingha ir Shouhang Dunhuang (Kathai, abu 2018), Gonghe, Luneng Haixi ir Hami (Kinija, visi 2019 m.), Cerro Dominador (Čilė, 2021 m. balandis).

Inovatyvus sprendimas saulės energijai

Kadangi ši technologija geriausiai veikia vietovėse, kuriose yra didelė insoliacija (saulės spinduliuotė), ekspertai prognozuoja, kad didžiausias bokštinių saulės elektrinių skaičiaus augimas bus tokiose vietose kaip Afrika, Meksika ir pietvakarių JAV.

Taip pat manoma, kad koncentruota saulės energija turi rimtų perspektyvų ir iki 2050 metų ji gali patenkinti iki 25% pasaulio energijos poreikių. Šiuo metu pasaulyje plėtojama daugiau nei 50 naujų tokio tipo elektrinių projektų.