Saulės koncentratoriai
Iš esmės saulės koncentratoriai labai skiriasi nuo fotovoltiniai keitikliai… Be to, šiluminės saulės elektrinės dėl daugelio savybių yra daug efektyvesnės nei fotovoltinės.
Saulės koncentratoriaus užduotis yra nukreipti saulės spindulius į indą su aušinimo skysčiu, kuris gali būti, pavyzdžiui, aliejus arba vanduo, kurie gerai sugeria saulės energiją. Koncentravimo būdai yra skirtingi: paraboliniai cilindriniai koncentratoriai, paraboliniai veidrodžiai arba heliocentriniai bokštai.
Kai kuriuose koncentratoriuose saulės spinduliuotė sufokusuojama išilgai židinio linijos, kituose - židinio taške, kuriame yra imtuvas. Saulės spinduliuotei atsispindėjus nuo didesnio paviršiaus į mažesnį paviršių (imtuvo paviršių), pasiekiama aukšta temperatūra, aušinimo skystis sugeria šilumą, judėdamas per imtuvą. Visoje sistemoje taip pat yra kaupimo dalis ir energijos perdavimo sistema.
Koncentratorių efektyvumas labai sumažėja debesuotu laikotarpiu, nes fokusuojama tik tiesioginė saulės spinduliuotė.Dėl šios priežasties šios sistemos pasiekia didžiausią efektyvumą regionuose, kur insoliacijos lygis ypač aukštas: dykumose, pusiaujo regione. Siekiant padidinti saulės spinduliuotės panaudojimo efektyvumą, koncentratoriuose yra įrengti specialūs sekėjai, sekimo sistemos, kurios užtikrina tiksliausią koncentratorių orientaciją saulės kryptimi.
Kadangi saulės koncentratorių kaina yra didelė, o sekimo sistemoms reikia periodinės priežiūros, jų naudojimas daugiausia apsiriboja pramoninėmis elektros energijos gamybos sistemomis.
Tokie įrenginiai gali būti naudojami hibridinėse sistemose kartu, pavyzdžiui, su angliavandenilių kuru, tuomet kaupimo sistema sumažins pagamintos elektros savikainą. Tai taps įmanoma, nes generavimas bus atliekamas visą parą.
Paraboliniai vamzdiniai saulės koncentratoriai yra iki 50 metrų ilgio, primenantys pailgą veidrodinę parabolę. Toks koncentratorius susideda iš įgaubtų veidrodžių rinkinio, kurių kiekvienas surenka lygiagrečius saulės spindulius ir sufokusuoja juos į konkretų tašką. Išilgai tokios parabolės yra vamzdelis su aušinimo skysčiu, kad visi veidrodžių atspindimi spinduliai būtų sutelkti į jį. Siekiant sumažinti šilumos nuostolius, vamzdis yra apsuptas stikliniu vamzdžiu, kuris tęsiasi išilgai cilindro židinio linijos.
Šie mazgai yra išdėstyti eilėmis šiaurės-pietų kryptimi ir tikrai turi saulės sekimo sistemas. Linijoje sutelkta spinduliuotė įkaitina aušinimo skystį beveik iki 400 laipsnių, ji praeina per šilumokaičius, generuodama garą, kuris suka generatoriaus turbiną.
Teisybės dėlei reikia pažymėti, kad vietoje vamzdžio gali būti ir fotoelementas. Tačiau, nepaisant to, kad naudojant fotovoltinius elementus koncentratoriaus dydžiai gali būti mažesni, tai susiję su efektyvumo sumažėjimu ir perkaitimo problema, dėl kurios reikia sukurti aukštos kokybės aušinimo sistemą.
Kalifornijos dykumoje devintajame dešimtmetyje buvo pastatytos 9 parabolinių cilindrinių koncentratorių jėgainės, kurių bendra galia – 354 MW. Tada ta pati įmonė („Luz International“) Degete pastatė ir 13,8 MW galios hibridinę instaliaciją SEGS I, kurioje papildomai buvo įrengtos gamtinių dujų krosnys. Apskritai iki 1990 m. 80 MW.
Saulės energijos gamybos plėtra parabolinėse elektrinėse Pasaulio banko lėšomis vykdoma Maroke, Meksikoje, Alžyre ir kitose besivystančiose šalyse.
Dėl to ekspertai daro išvadą, kad šiandien parabolinės lovio elektrinės pelningumu ir efektyvumu atsilieka tiek nuo bokštinių, tiek nuo diskinių saulės elektrinių.
Diskiniai saulės įrenginiai – tai, kaip ir palydovinės antenos, paraboliniai veidrodžiai, nukreipiantys saulės spindulius į imtuvą, esantį kiekvienos tokios lėkštės centre. Tuo pačiu metu aušinimo skysčio temperatūra naudojant šią šildymo technologiją siekia 1000 laipsnių. Šilumos perdavimo skystis nedelsiant tiekiamas į generatorių arba variklį, kuris yra sujungtas su imtuvu. Pavyzdžiui, čia naudojami Stirlingo ir Braitono varikliai, kurie gali žymiai padidinti tokių sistemų našumą, nes optinis efektyvumas yra didelis, o pradinės išlaidos mažos.
Pasaulinis parabolinės lėkštelės saulės energijos įrenginio efektyvumo rekordas yra 29 % šilumos ir elektros energijos efektyvumo koeficientas, pasiektas naudojant lėkštės tipo įrenginį kartu su Stirlingo varikliu Rancho Mirage.
Dėl modulinės konstrukcijos match tipo saulės sistemos yra labai perspektyvios, jos leidžia lengvai pasiekti reikiamus galios lygius tiek prie viešųjų elektros tinklų prisijungusiems, tiek nepriklausomiems hibridiniams vartotojams. Pavyzdys yra projektas STEP, kurį sudaro 114 parabolinių veidrodžių, kurių skersmuo yra 7 metrai, esantys Džordžijos valstijoje.
Sistema gamina vidutinio, žemo ir aukšto slėgio garus. Žemo slėgio garai tiekiami į mezgyklos oro kondicionavimo sistemą, vidutinio slėgio garai tiekiami pačiai mezgimo pramonei, o aukšto slėgio garai tiekiami tiesiogiai elektrai gaminti.
Žinoma, saulės diskų koncentratoriai kartu su Stirlingo varikliu domina didelių energetikos įmonių savininkus. Taigi „Science Applications International Corporation“, bendradarbiaudama su trimis energetikos kompanijomis, kuria Stirlingo variklį ir parabolinius veidrodžius naudojančią sistemą, kuri galės pagaminti 25 kW elektros energijos.
Bokštinio tipo saulės elektrinėse su centriniu imtuvu saulės spinduliuotė nukreipta į imtuvą, esantį bokšto viršuje.... Aplink bokštus išdėliota labai daug atšvaitų-heliostatų... Heliostatuose sumontuota dviejų ašių saulės sekimo sistema, kurios dėka jie visada sukasi taip, kad spinduliai būtų stacionarūs, sutelkti į šilumos imtuvą.
Imtuvas sugeria šilumos energiją, kuri vėliau pasuka generatoriaus turbiną.
Imtuve cirkuliuojantis skystas aušinimo skystis nuneša garus į šilumos akumuliatorių. Paprastai darbai yra vandens garai, kurių temperatūra siekia 550 laipsnių, oras ir kitos dujinės medžiagos, kurių temperatūra siekia iki 1000 laipsnių, organiniai skysčiai, kurių virimo temperatūra žemesnė nei 100 laipsnių, taip pat skystas metalas – iki 800 laipsnių.
Priklausomai nuo stoties paskirties, garai gali pasukti turbiną elektrai gaminti arba būti tiesiogiai naudojami tam tikroje gamyboje. Temperatūra imtuve svyruoja nuo 538 iki 1482 laipsnių.
„Solar One“ galios bokštas Pietų Kalifornijoje, vienas iš pirmųjų tokio tipo, iš pradžių gamino elektrą per garo ir vandens sistemą, gaminančią 10 MW. Tada jis buvo modernizuotas ir patobulintas imtuvas, dabar dirbantis su išlydytomis druskomis ir šilumos kaupimo sistema, tapo žymiai efektyvesnis.
Tai lėmė saulės koncentratorių technologijos proveržį akumuliatorinių bokštų elektrinėms: elektrą tokioje elektrinėje galima gaminti pagal poreikį, nes šilumos kaupimo sistema gali saugoti šilumą iki 13 valandų.
Išlydytosios druskos technologija leidžia sukaupti saulės šilumą iki 550 laipsnių, o elektros energiją dabar galima gaminti bet kuriuo paros metu ir bet kokiu oru. 10 MW galios bokšto stotis „Solar Two“ tapo tokio tipo pramoninių elektrinių prototipu. Ateityje – 30–200 MW galios pramonės įmonių statyba didelėms pramonės įmonėms.
Perspektyvos kolosalios, tačiau plėtrą stabdo didelių plotų poreikis ir didelės pramoninio masto bokštinių stočių statybos kaštai. Pavyzdžiui, norint pastatyti 100 megavatų galios bokšto stotį, reikia 200 hektarų, o atominei elektrinei, galinčiai pagaminti 1000 megavatų elektros, reikia tik 50 hektarų. Kita vertus, parabolinės cilindrinės stotys (modulinio tipo), skirtos mažoms talpoms, yra ekonomiškesnės nei bokštinės.
Taigi bokštiniai ir paraboliniai lovio koncentratoriai tinka elektrinėms nuo 30 MW iki 200 MW, kurios yra prijungtos prie tinklo. Moduliniai diskų šakotuvai tinka autonominiam tinklų, kuriems reikia vos kelių megavatų, maitinimui. Tiek bokštų, tiek plokščių sistemų gamyba yra brangi, tačiau jos yra labai efektyvios.
Kaip matote, paraboliniai lovio koncentratoriai užima optimalią poziciją kaip perspektyviausia saulės koncentratorių technologija ateinančiais metais.
Taip pat skaitykite šia tema: Saulės energijos plėtra pasaulyje