Věžové tepelné solární elektrárny, solární systémy koncentrace energie

Slunce je zdrojem extrémně „čisté“ energie. Dnes se po celém světě práce na využití Slunce rozvíjejí mnoha směry. Především se rozvíjí tzv. malá energetika, která zahrnuje především vytápění budov a zásobování teplem. V oblasti energetiky ve velkém už ale byly podniknuty vážné kroky — solární elektrárny vznikají na základě fotokonverze a tepelné přeměny. V tomto článku vám povíme o vyhlídkách stanic z druhého směru.

Technologie koncentrované solární energie, celosvětově známá jako CSP (Concentrated Solar Power), je druh solární elektrárny, která využívá zrcadla nebo čočky ke koncentraci velkého množství slunečního světla na malou plochu.

CSP by se nemělo zaměňovat s koncentrovanou fotovoltaikou – známou také jako CPV (koncentrovaná fotovoltaika). V CSP se koncentrované sluneční světlo přeměňuje na teplo a teplo se pak přeměňuje na elektřinu.Na druhé straně v CPV se koncentrované sluneční světlo přeměňuje přímo na elektřinu prostřednictvím fotoelektrický efekt.

Průmyslové využití solárních koncentrátorů

Solární energie

Slunce vysílá silný proud zářivé energie ve směru k Zemi. I když vezmeme v úvahu, že 2/3 z toho jsou odraženy a rozptýleny atmosférou, přesto zemský povrch přijme 1018 kWh energie za 12 měsíců, což je 20 000krát více, než svět spotřebuje za rok.

Je přirozené, že využití tohoto nevyčerpatelného zdroje energie pro praktické účely se vždy zdálo velmi lákavé. Čas však plynul, člověk při hledání energie vytvořil tepelný stroj, zablokoval řeky, rozštěpil atom a Slunce dál čekalo v křídlech.

Proč je tak těžké ovládat jeho energii? Jednak se během dne mění intenzita slunečního záření, což je pro spotřebu krajně nevýhodné. To znamená, že solární stanice musí mít bateriovou instalaci nebo spolupracovat s jinými zdroji. To ale stále není ta největší nevýhoda. Mnohem horší je, že hustota slunečního záření na zemském povrchu je velmi nízká.

Takže v jižních oblastech Ruska je to pouze 900 - 1000 W / m2... To stačí pouze k ohřevu vody v nejjednodušších kolektorech na teploty ne více než 80 - 90 ° C.

Je vhodný pro zásobování teplou vodou a částečně pro vytápění, v žádném případě však pro výrobu elektřiny. Zde jsou potřeba mnohem vyšší teploty. Pro zvýšení hustoty toku je nutné jej shromáždit z velké oblasti a přeměnit jej z rozptýleného na koncentrovaný.

Výroba energie pomocí solárních koncentračních systémů

Metody koncentrace sluneční energie jsou známy již od starověku.Dochovala se legenda o tom, jak velký Archimédes pomocí konkávních leštěných měděných zrcadel spálil římské loďstvo, které ho ve 3. století před naším letopočtem obléhalo. NS. Syrakusy. A přestože tato legenda není potvrzena historickými dokumenty, samotná možnost zahřátí jakékoli látky v ohnisku parabolického zrcadla na teploty 3500 — 4000 °C je nezpochybnitelným faktem.

Pokusy o využití parabolických zrcadel k výrobě užitečné energie začaly ve druhé polovině 19. století. Zvláště intenzivně se pracovalo v USA, Anglii a Francii.

Experimentální parabolické zrcadlo pro využití sluneční tepelné energie v Los Angeles, USA (cca 1901).

V roce 1866 použil Augustin Mouchaud parabolický válec k výrobě páry v prvním solárním parním stroji.

Solární elektrárna A. Mouchauda, ​​předvedená na Světové průmyslové výstavě v Paříži v roce 1882, udělala na současníky obrovský dojem.

První patent na solární kolektor získal Ital Alessandro Battaglia v Janově (Itálie) v roce 1886. V následujících letech vynálezci jako John Erickson a Frank Schumann vyvinuli zařízení, která fungují tak, že koncentrují sluneční energii pro zavlažování, chlazení a pohyb.

Solární motor, 1882

Solární elektrárna Franka Schumanna v Káhiře

V roce 1912 byla u Káhiry postavena první solární elektrárna o výkonu 45 kW s parabolicko-cylindrickými koncentrátory o celkové ploše 1200 m22, která byla použita v závlahovém systému. Trubky byly umístěny v ohnisku každého zrcadla. Na jejich povrchu se soustředily sluneční paprsky.Voda v potrubí se mění na páru, která se shromažďuje ve společném sběrači a přivádí se do parního stroje.

Obecně je třeba poznamenat, že to bylo období, kdy víra ve fantastickou zaostřovací schopnost zrcadel ovládla mnoho myslí. Jakýmsi důkazem těchto nadějí se stal román A. Tolstého „Hyperboloid inženýra Garina“.

V řadě průmyslových odvětví jsou taková zrcadla skutečně široce používána. Na tomto principu postavilo mnoho zemí pece pro tavení vysoce čistých žáruvzdorných materiálů. Například Francie má největší troubu na světě s výkonem 1 MW.

A co zařízení na výrobu elektrické energie? Zde vědci čelili řadě obtíží. Za prvé, náklady na zaostřovací systémy se složitými zrcadlovými plochami se ukázaly jako velmi vysoké. S rostoucí velikostí zrcadel také exponenciálně rostou náklady.

Vytvořte také zrcadlo o ploše 500 - 600 m2 technicky obtížné a můžete z něj získat ne více než 50 kW výkonu. Je zřejmé, že za těchto podmínek je jednotkový výkon solárního přijímače výrazně omezen.

A ještě jedna důležitá úvaha o systémech zakřivených zrcadel. V zásadě lze z jednotlivých modulů sestavit docela velké systémy.

Aktuální instalace tohoto typu naleznete zde: Příklady použití solárních koncentrátorů

Parabolický žlab používaný v Lockhartově koncentrované solární elektrárně poblíž Harper Lake v Kalifornii (Mojave Solar Project)

Podobné elektrárny byly postaveny v mnoha zemích. V jejich práci však existuje vážná nevýhoda - obtížnost shromažďování energie.Každé zrcadlo má totiž v ohnisku svůj vlastní generátor páry a všechny jsou rozprostřeny na velké ploše. To znamená, že pára musí být shromažďována z mnoha solárních přijímačů, což značně komplikuje a prodražuje stanici.

Solární věž

Již v předválečných letech prosadil inženýr N. V. Linitsky myšlenku tepelné solární elektrárny s centrálním solárním přijímačem umístěným na vysoké věži (solární elektrárna věžového typu).

Koncem 40. let vědci ze Státního výzkumného ústavu energetického (ENIN) pojmenovaného po V.I. Vědecký koncept pro vytvoření takové stanice vypracovali G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum a B. A. Garf. Navrhli opustit složitá drahá zakřivená zrcadla a nahradit je nejjednoduššími plochými heliostaty.

Princip fungování solárních elektráren z věže je vcelku jednoduchý. Sluneční paprsky jsou odráženy několika heliostaty a směrovány na povrch centrálního přijímače — solárního parního generátoru umístěného na věži.

V souladu s polohou Slunce na obloze se automaticky mění i orientace heliostatů. Výsledkem je, že po celý den koncentrovaný proud slunečního světla odrážený stovkami zrcadel ohřívá parní generátor.

Rozdíl mezi konstrukcemi SPP používajícími parabolické koncentrátory, SPP s diskovými koncentrátory a SPP z věže

Toto řešení se ukázalo být stejně jednoduché jako původní. Nejdůležitější však bylo, že v zásadě bylo možné vytvářet velké solární elektrárny s jednotkovým výkonem stovek tisíc kW.

Od té doby si koncept solární tepelné elektrárny věžového typu získal celosvětové uznání. Teprve koncem 70. let byly takové stanice o výkonu 0,25 až 10 MW vybudovány v USA, Francii, Španělsku, Itálii a Japonsku.

Solární věž SES Themis v Pyrenejích-Orientales ve Francii

Podle tohoto sovětského projektu byla v roce 1985 na Krymu poblíž města Shtelkino postavena experimentální solární elektrárna věžového typu o výkonu 5 MW (SES-5).

V SES-5 je použit otevřený kruhový solární parní generátor, jehož povrchy, jak se říká, jsou otevřené všem větrům. Proto při nízkých okolních teplotách a vysokých rychlostech větru prudce narůstají konvekční ztráty a výrazně klesá účinnost.

Přijímače dutinového typu jsou nyní považovány za mnohem účinnější. Zde jsou všechny povrchy parogenerátoru uzavřeny, díky čemuž jsou výrazně sníženy konvekční a radiační ztráty.

Vzhledem k nízkým parametrům páry (250 °C a 4MPa) je tepelná účinnost SES-5 pouze 0,32.

Po 10 letech provozu v roce 1995 byla SES-5 na Krymu uzavřena a v roce 2005 byla věž předána do šrotu.

Model SES-5 v Polytechnickém muzeu

Věžové solární elektrárny, které jsou v současné době v provozu, využívají nové konstrukce a systémy, které jako pracovní tekutiny používají roztavené soli (40 % dusičnan draselný, 60 % dusičnan sodný). Tyto pracovní tekutiny mají vyšší tepelnou kapacitu než mořská voda, která byla používána v prvních experimentálních instalacích.

Technologické schéma moderní solární tepelné elektrárny

Moderní věž solární elektrárna

Solární elektrárny jsou samozřejmě nový a komplikovaný byznys a přirozeně mají dost odpůrců. Mnohé z pochybností, které vyjadřují, mají docela pádné důvody, ale s ostatními lze jen stěží souhlasit.

Často se například říká, že k výstavbě věžových solárních elektráren jsou zapotřebí velké pozemky. Nelze však vyloučit oblasti, kde se vyrábí palivo pro provoz tradičních elektráren.

Ve prospěch věžových solárních elektráren existuje ještě jeden přesvědčivější případ. Specifická plocha půdy zaplavené umělými nádržemi vodních elektráren je 169 hektarů / MW, což je mnohonásobně více než ukazatele takových solárních elektráren. Navíc při výstavbě vodních elektráren dochází často k zaplavování velmi cenných úrodných půd a věžové SPP se mají stavět v pouštních oblastech - na pozemcích, které nejsou vhodné ani pro zemědělství, ani pro výstavbu průmyslových objektů.

Dalším důvodem ke kritice věžových SPP je jejich vysoká spotřeba materiálu. Existuje dokonce pochybnost, zda SES bude schopna vrátit energii vynaloženou na výrobu zařízení a získání materiálů použitých na jeho stavbu za předpokládanou dobu provozu.

Takové instalace jsou skutečně náročné na materiál, ale je nezbytné, aby prakticky všechny materiály, ze kterých se moderní solární elektrárny staví, nebyly nedostatkové.Ekonomické výpočty provedené po spuštění prvních moderních věžových solárních elektráren ukázaly jejich vysokou účinnost a vcelku příznivé doby návratnosti (příklady ekonomicky úspěšných projektů viz níže).

Další rezervou pro zvýšení účinnosti solárních elektráren s věží je vytvoření hybridních elektráren, ve kterých budou solární elektrárny spolupracovat s konvenčními tepelnými elektrárnami na tradiční palivo.U kombinované elektrárny se v hodinách intenzivního slunečního záření palivo elektrárna snižuje svůj výkon a „zrychluje“ v oblačném počasí a při špičkovém zatížení.

Příklady moderních solárních elektráren

V červnu 2008 společnost Bright Source Energy otevřela centrum pro vývoj solární energie v izraelské poušti Negev.

Na místě se nachází v průmyslovém parku RotemaBylo instalováno přes 1600 heliostatů, které sledují slunce a odrážejí světlo na 60metrovou solární věž. Koncentrovaná energie se pak používá k ohřevu kotle v horní části věže na 550 °C, čímž se vytváří pára, která se posílá do turbíny, kde se vyrábí elektřina. Výkon elektrárny 5 MW.

V roce 2019 stejná společnost postavila novou elektrárnu v poušti Negev —Ashalim… Toya Závod se skládá ze tří sekcí se třemi různými technologiemi a kombinuje tři druhy energie: solární tepelnou energii, fotovoltaickou energii a zemní plyn (hybridní elektrárna). Instalovaný výkon solární věže je 121 MW.

Stanice obsahuje 50 600 heliostatů řízených počítačem, což stačí na napájení 120 000 domácností. Výška věže je 260 metrů.Byla nejvyšší na světě, ale nedávno ji překonala 262,44metrová solární věž v solárním parku Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Elektrárna v Negevské poušti v Izraeli

V létě 2009 postavila americká společnost eSolar solární věž Solární věž Sierra pro elektrárnu o výkonu 5 MW umístěnou v Lancasteru v Kalifornii, asi 80 km severně od Los Angeles. Elektrárna se rozkládá na ploše asi 8 hektarů v suchém údolí západně od Mohavské pouště na 35° severní šířky.

Solární věž Sierra

K 9. září 2009 se na základě příkladu stávajících elektráren odhadovalo, že náklady na výstavbu věžové solární elektrárny (CSP) jsou 2,5 až 4 USD za watt, zatímco palivo (sluneční záření) je zdarma. . Stavba takové elektrárny o výkonu 250 MW tedy stojí od 600 do 1000 milionů amerických dolarů. To znamená od 0,12 do 0,18 dolaru / kWh.

Bylo také zjištěno, že nové elektrárny CSP mohou být ekonomicky konkurenceschopné vůči fosilním palivům.

Nathaniel Bullard, analytik Bloomberg New Energy Finance, odhadl, že náklady na elektřinu vyrobenou solární elektrárnou Iwanpa, spuštěnou v roce 2014, jsou nižší než náklady na elektřinu vyrobenou Fotovoltaická elektrárna, a je téměř stejná jako elektřina z elektrárny na zemní plyn.

Nejznámější ze solárních elektráren je v současnosti elektrárna Gemasolar s kapacitou 19,9 MW, která se nachází západně od města Esia v Andalusii (Španělsko). Elektrárnu slavnostně otevřel španělský král Juan Carlos 4. října 2011.

Gemsolární elektrárna

Tento projekt, který získal grant 5 milionů eur od Evropské komise, využívá technologii testovanou americkou společností Solar Two:

• 2 493 heliostatů o celkové ploše 298 000 m2 používá sklo s lepší odrazivostí, jehož zjednodušená konstrukce snižuje výrobní náklady o 45 %.

• Větší systém akumulace tepelné energie s kapacitou 8 500 tun roztavených solí (dusičnanů), poskytující autonomii 15 hodin (přibližně 250 MWh) při nepřítomnosti slunečního záření.

• Vylepšená konstrukce čerpadla, která umožňuje čerpat soli přímo ze skladovacích nádrží bez potřeby jímky.

• Systém výroby páry včetně nucené recirkulace páry.

• Parní turbína s vyšším tlakem a vyšší účinností.

• Zjednodušený cirkulační okruh roztavené soli, snížení počtu potřebných ventilů na polovinu.

Elektrárna (věž a heliostaty) se rozkládá na celkové ploše 190 hektarů.

Solární věž SPP Gemasolar

Abengoa postavila Hej sluníčko v Jižní Africe — elektrárna s výškou 205 metrů a výkonem 50 MW. Slavnostní otevření proběhlo 27. srpna 2013.

Hej sluníčko

Solární systém výroby elektřiny Ivanpah — solární elektrárna o výkonu 392 megawattů (MW) v kalifornské poušti Mojave, 40 mil jihozápadně od Las Vegas. Elektrárna byla uvedena do provozu 13.2.2014.

Solární systém výroby elektřiny Ivanpah

Roční výkon tohoto SPP pokrývá spotřebu 140 000 domácností. Instalováno 173 500 heliostatických zrcadel zaměřujících sluneční energii na parní generátory umístěné na třech centrálních solárních věžích.

V březnu 2013 byla podepsána dohoda s Bright Source Energy o výstavbě elektrárny Spálený v Kalifornii, sestávající ze dvou 230 m věží (250 MW každá), uvedení do provozu je naplánováno na rok 2021.

Další funkční solární věžové elektrárny: Solar Park (Dubaj, 2013), Nur III (Maroko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha a Shouhang Dunhuang (Kathai, obě 2018), Gonghe, Luneng Haixi a Hami (Čína, vše 2019), Cerro Dominador (Chile, duben 2021).

Inovativní řešení pro solární energii

Protože tato technologie funguje nejlépe v oblastech s vysokým slunečním zářením (sluneční záření), odborníci předpokládají, že největší nárůst počtu věžových solárních elektráren bude v místech jako Afrika, Mexiko a jihozápad Spojených států.

Také se věří, že koncentrovaná solární energie má vážné vyhlídky a že může do roku 2050 pokrýt až 25 % světové energetické potřeby. V současné době se ve světě vyvíjí více než 50 nových projektů tohoto typu elektráren.