Tower termiske solenergianlæg, solenergikoncentreringssystemer

Solen er en kilde til ekstremt "ren" energi. I dag, over hele verden, udvikler arbejdet med brugen af ​​Solen sig i mange retninger. Først og fremmest udvikles den såkaldte småkraftindustri, som hovedsageligt omfatter bygningsvarme og varmeforsyning. Men der er allerede taget alvorlige skridt inden for energi i stor skala - solenergianlæg skabes på basis af fotokonvertering og termisk konvertering. I denne artikel vil vi fortælle dig om udsigterne for stationer fra den anden retning.

Concentrated Solar Power-teknologi, kendt på verdensplan som CSP (Concentrated Solar Power), er en type solenergianlæg, der bruger spejle eller linser til at koncentrere store mængder sollys til et lille område.

CSP bør ikke forveksles med koncentreret fotovoltaik - også kendt som CPV (koncentreret fotovoltaik). I CSP omdannes koncentreret sollys til varme, og varmen omdannes derefter til elektricitet.På den anden side omdannes koncentreret sollys i CPV direkte til elektricitet via fotoelektrisk effekt.

Industriel brug af solenergikoncentratorer

Solenergi

Solen sender en kraftig strøm af strålende energi i retning af jorden. Selvom vi tager i betragtning, at 2/3 af det reflekteres og spredes af atmosfæren, modtager jordens overflade stadig 1018 kWh energi på 12 måneder, hvilket er 20.000 gange mere, end verden forbruger på et år.

Det er naturligt, at det altid har virket meget fristende at bruge denne uudtømmelige energikilde til praktiske formål. Men tiden gik, mennesket på jagt efter energi skabte en varmemotor, blokerede floder, splittede et atom og Solen fortsatte med at vente i vingerne.

Hvorfor er det så svært at kontrollere sin energi? For det første ændres intensiteten af ​​solstråling i løbet af dagen, hvilket er ekstremt ubelejligt for forbrug. Det betyder, at solcellestationen skal have batteriinstallation eller arbejde sammen med andre kilder. Men dette er stadig ikke den største ulempe. Meget værre, tætheden af ​​solstråling på jordens overflade er meget lav.

Så i de sydlige regioner af Rusland er det kun 900 - 1000 W / m2 ... Dette er kun nok til at opvarme vandet i de enkleste samlere til temperaturer på højst 80 - 90 ° C.

Den er velegnet til varmtvandsforsyning og dels til opvarmning, men i intet tilfælde til elproduktion. Her skal der meget højere temperaturer til. For at øge fluxtætheden er det nødvendigt at samle det fra et stort område og transformere det fra spredt til koncentreret.

Energiproduktion med solfangeranlæg

Metoder til at koncentrere solenergi har været kendt siden oldtiden.Der er bevaret en legende om, hvordan den store Arkimedes ved hjælp af konkave polerede kobberspejle brændte den romerske flåde, der belejrede den i det 3. århundrede f.Kr. NS. Syracuse. Og selvom denne legende ikke er bekræftet af historiske dokumenter, er selve muligheden for at opvarme ethvert stof i fokus for et parabolsk spejl til temperaturer på 3500 - 4000 ° C en ubestridelig kendsgerning.

Forsøg på at bruge parabolske spejle til at generere nyttig energi begyndte i anden halvdel af det 19. århundrede. Der blev arbejdet særligt intensivt i USA, England og Frankrig.

Et eksperimentelt parabolsk spejl til brug af solvarmeenergi i Los Angeles, USA (cirka 1901).

I 1866 brugte Augustin Mouchaud en parabolcylinder til at generere damp i den første soldampmaskine.

A. Mouchauds solenergianlæg, demonstreret på verdensindustriudstillingen i Paris i 1882, gjorde et enormt indtryk på samtiden.

Det første patent på en solfanger blev opnået af italieneren Alessandro Battaglia i Genova (Italien) i 1886. I de følgende år udviklede opfindere som John Erickson og Frank Schumann apparater, der virker ved at koncentrere solenergi til kunstvanding, afkøling og bevægelse.

Solmotor, 1882

Frank Schumanns solcelleanlæg i Kairo

I 1912 blev det første solenergianlæg med en kapacitet på 45 kW bygget nær Cairo med parabolsk-cylindriske koncentratorer med et samlet areal på 1200 m22, som blev brugt i kunstvandingssystemet. Rør blev placeret i fokus for hvert spejl. Solens stråler var koncentreret på deres overflade.Vandet i rørene bliver til damp, som opsamles i en fælles opsamler og ledes til dampmaskinen.

Generelt skal det bemærkes, at dette var en periode, hvor troen på spejlenes fantastiske fokuseringskraft tog fat i mange sind. A. Tolstoys roman "The Hyperboloid of Engineer Garin" blev en slags bevis på disse håb.

Faktisk er sådanne spejle meget udbredt i en række industrier. På dette princip har mange lande bygget ovne til smeltning af ildfaste materialer med høj renhed. For eksempel har Frankrig den største ovn i verden med en kapacitet på 1 MW.

Og hvad med installationer til generering af elektrisk energi? Her har videnskabsfolk stået over for en række vanskeligheder. Først og fremmest viste omkostningerne ved at fokusere systemer med komplekse spejloverflader sig at være meget høje. Også, når størrelsen af ​​spejlene stiger, stiger omkostningerne eksponentielt.

Lav også et spejl med et areal på 500 - 600 m2 teknisk vanskeligt, og du kan ikke få mere end 50 kW strøm fra det. Det er klart, at under disse forhold er enhedseffekten af ​​solcellemodtageren betydeligt begrænset.

Og endnu en vigtig overvejelse om buede spejlsystemer. I princippet kan ret store systemer sammensættes af individuelle moduler.

For aktuelle installationer af denne type se her: Eksempler på brug af solfangere

Parabolsk trug brugt på Lockhart Concentrated Solar Power Plant nær Harper Lake, Californien (Mojave Solar Project)

Lignende kraftværker er blevet bygget i mange lande. Der er dog en alvorlig ulempe ved deres arbejde - vanskeligheden ved at samle energi.Hvert spejl har trods alt sin egen dampgenerator i fokus, og de er alle spredt over et stort område. Det betyder, at dampen skal opsamles fra mange solcellemodtagere, hvilket i høj grad komplicerer og fordyrer stationen.

Solar tårn

Selv i førkrigsårene fremsatte ingeniøren N. V. Linitsky ideen om et termisk solenergianlæg med en central solcellemodtager placeret på et højt tårn (solkraftværk af tårntype).

I slutningen af ​​1940'erne blev forskere fra Statens Forskningsinstitut for Energi (ENIN) opkaldt efter V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum og B. A. Garf udviklede et videnskabeligt koncept til oprettelsen af ​​en sådan station. De foreslog at opgive de komplekse dyre buede spejle og erstatte dem med de enkleste flade heliostater.

Princippet om drift af solenergianlæg fra et tårn er ret simpelt. Solens stråler reflekteres af flere heliostater og dirigeres til overfladen af ​​en central modtager - en soldampgenerator placeret på tårnet.

I overensstemmelse med Solens position på himlen ændres heliostaternes orientering også automatisk. Som et resultat, hele dagen, opvarmer en koncentreret strøm af sollys, reflekteret af hundredvis af spejle, dampgeneratoren.

Forskellen mellem SPP-design ved hjælp af parabolske koncentratorer, SPP med diskkoncentratorer og SPP fra et tårn

Denne løsning viste sig at være lige så enkel, som den var original. Men det vigtigste var, at det i princippet blev muligt at skabe store solcelleanlæg med en enhedseffekt på hundredtusindvis af kW.

Siden da har konceptet med solvarmeanlæg af typen tårn vundet verdensomspændende anerkendelse. Først i slutningen af ​​1970'erne blev sådanne stationer med en kapacitet på 0,25 til 10 MW bygget i USA, Frankrig, Spanien, Italien og Japan.

SES Themis soltårn i Pyrenæerne-Orientales i Frankrig

Ifølge dette sovjetiske projekt blev der i 1985 på Krim, nær byen Shtelkino, bygget et eksperimentelt solenergianlæg af tårntypen med en kapacitet på 5 MW (SES-5).

I SES-5 bruges en åben cirkulær solar dampgenerator, hvis overflader, som de siger, er åbne for alle vinde. Ved lave omgivelsestemperaturer og høje vindhastigheder stiger konvektionstab derfor kraftigt, og effektiviteten falder betydeligt.

Cavity type modtagere menes nu at være meget mere effektive. Her er alle overflader på dampgeneratoren lukket, på grund af hvilke konvektivitets- og strålingstab reduceres kraftigt.

På grund af de lave dampparametre (250 °C og 4MPa) er den termiske effektivitet af SES-5 kun 0,32.

Efter 10 års drift i 1995 blev SES-5 på Krim lukket, og i 2005 blev tårnet overdraget til skrot.

Model SES-5 i Det Polytekniske Museum

Tårnsolenergianlæg, der i øjeblikket er i drift, bruger nye designs og systemer, der bruger smeltede salte (40 % kaliumnitrat, 60 % natriumnitrat) som arbejdsvæsker. Disse arbejdsvæsker har en højere varmekapacitet end havvand, som blev brugt i de første forsøgsinstallationer.

Teknologisk diagram af et moderne solvarmekraftværk

Moderne tårn solcelleanlæg

Solcelleanlæg er selvfølgelig en ny og kompliceret forretning og har naturligvis modstandere nok. Mange af de tvivl, de udtrykker, har ganske gode grunde, men man kan næppe være enig med andre.

For eksempel siges det ofte, at der kræves store arealer for at bygge tårnsolcelleanlæg. De områder, hvor der produceres brændsel til drift af traditionelle kraftværker, kan dog ikke udelukkes.

Der er en anden mere overbevisende sag til fordel for tårnsolenergianlæg. Det specifikke område af landet, der er oversvømmet af kunstige reservoirer af vandkraftværker, er 169 hektar / MW, hvilket er mange gange højere end indikatorerne for sådanne solkraftværker. Desuden oversvømmes meget værdifulde frugtbare jorder under opførelsen af ​​vandkraftværker, og tårn-SPP'er formodes at blive bygget i ørkenområder - på jorder, der hverken er egnede til landbrug eller til opførelse af industrianlæg.

En anden grund til kritik af tårn-SPP'er er deres høje materialeforbrug. Der er endda tvivl om, hvorvidt SES vil være i stand til at returnere den energi, der er brugt på produktion af udstyr og skaffe materialer, der er brugt til dets konstruktion i den forventede driftsperiode.

Sådanne installationer er faktisk materialeintensive, men det er væsentligt, at stort set alle materialer, som moderne solenergianlæg er bygget af, ikke er mangelvare.Økonomiske beregninger udført efter lanceringen af ​​de første moderne tårnsolenergianlæg viste deres høje effektivitet og ret gunstige tilbagebetalingsperioder (se nedenfor for eksempler på økonomisk succesfulde projekter).

En anden reserve til at øge effektiviteten af ​​solenergianlæg med et tårn er skabelsen af ​​hybridanlæg, hvor solcelleanlæg vil arbejde sammen med konventionelle termiske anlæg af traditionelt brændsel. På det kombinerede anlæg, i timerne med intens solstråling, er brændstoffet anlægget reducerer sin kraft og "accelererer" i overskyet vejr og ved spidsbelastninger.

Eksempler på moderne solcelleanlæg

I juni 2008 åbnede Bright Source Energy et udviklingscenter for solenergi i Israels Negev-ørken.

På stedet er den placeret i Rotema industripark, er der installeret over 1.600 heliostater, der følger solen og reflekterer lyset på et 60 meter langt soltårn. Den koncentrerede energi bruges derefter til at opvarme kedlen i toppen af ​​tårnet til 550°C, hvilket genererer damp, der sendes til en turbine, hvor der produceres elektricitet. Kraftværkskapacitet 5 MW.

I 2019 byggede det samme firma et nyt kraftværk i Negev-ørkenen —Ashalim… Toya Anlægget består af tre sektioner med tre forskellige teknologier og kombinerer tre typer energi: solvarmeenergi, solcelleenergi og naturgas (hybridkraftværk). Solcelletårnets installerede kapacitet er 121 MW.

Stationen omfatter 50.600 computerstyrede heliostater, nok til at drive 120.000 hjem. Tårnets højde er 260 meter.Det var det højeste i verden, men blev for nylig overgået af det 262,44 meter store soltårn i Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Et kraftværk i Negev-ørkenen i Israel

I sommeren 2009 byggede det amerikanske firma eSolar et solcelletårn Sierra Solar Tower for et 5 MW kraftværk beliggende i Lancaster, Californien, omkring 80 km nord for Los Angeles.Kraftværket dækker et område på omkring 8 hektar i en tør dal vest for Mojave-ørkenen på 35°N breddegrad.

Sierra Solar Tower

Fra den 9. september 2009, baseret på eksemplet med eksisterende kraftværker, blev det anslået, at omkostningerne ved at bygge et tårnsolkraftværk (CSP) er 2,5 til 4 US$ pr. watt, mens brændstoffet (solstråling) er gratis . Således koster opførelsen af ​​et sådant kraftværk med en kapacitet på 250 MW fra 600 til 1000 millioner amerikanske dollars. Det betyder fra 0,12 til 0,18 dollars / kWh.

Det blev også fundet, at nye CSP-anlæg kan være økonomisk konkurrencedygtige med fossile brændstoffer.

Nathaniel Bullard, en analytiker hos Bloomberg New Energy Finance, vurderede, at omkostningerne ved elektricitet genereret af Iwanpa-solkraftværket, der blev lanceret i 2014, er lavere end elektricitet produceret af Fotovoltaisk kraftværk, og er næsten det samme som elektricitet fra et naturgaskraftværk.

Det mest berømte af solkraftværkerne i øjeblikket er kraftværket Gemasolar med en kapacitet på 19,9 MW, beliggende vest for byen Esia i Andalusien (Spanien). Kraftværket blev indviet af kong Juan Carlos af Spanien den 4. oktober 2011.

Gemsolkraftværk

Dette projekt, som modtog et tilskud på 5 millioner euro fra Europa-Kommissionen, bruger teknologi testet af det amerikanske firma Solar Two:

• 2.493 heliostater med et samlet areal på 298.000 m2 bruger glas med bedre reflektionsevne, hvis forenklede design reducerer produktionsomkostningerne med 45%.

• Et større termisk energilagringssystem med en kapacitet på 8.500 tons smeltede salte (nitrater), der giver en autonomi på 15 timer (ca. 250 MWh) i fravær af sollys.

• Forbedret pumpedesign, der gør det muligt at pumpe salte direkte fra lagertanke uden behov for en sump.

• Dampgenereringssystem inklusive tvungen recirkulation af damp.

• Dampturbine med højere tryk og højere effektivitet.

• Forenklet cirkulationskredsløb for smeltet salt, halvering af antallet af nødvendige ventiler.

Kraftværket (tårn og heliostater) dækker et samlet areal på 190 hektar.

SPP Gemasolar Solar Tower

Abengoa har bygget Hej solrige en i Sydafrika — et kraftværk med en højde på 205 meter og en kapacitet på 50 MW. Åbningsceremonien fandt sted den 27. august 2013.

Hej solrige en

Ivanpah Solar Electric Generation System — et 392 megawatt (MW) solkraftværk i Californiens Mojave-ørken, 65 miles sydvest for Las Vegas. Kraftværket blev taget i brug den 13. februar 2014.

Ivanpah Solar Electric Generation System

Den årlige produktion af denne SPP dækker forbruget af 140.000 husstande. Installerede 173.500 heliostatspejle, der fokuserer solenergi på dampgeneratorer placeret på tre centrale soltårne.

I marts 2013 blev der underskrevet en aftale med Bright Source Energy om at bygge et kraftværk Brændt i Californien, bestående af to 230 m tårne ​​(250 MW hver), idriftsættelse planlagt til 2021.

Andre operationelle soltårne-kraftværker: 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 til solenergi

Fordi denne teknologi fungerer bedst i områder med høj solstråling (solstråling), forudsiger eksperter, at den største vækst i antallet af tårnsolkraftværker vil være steder som Afrika, Mexico og det sydvestlige USA.

Det menes også, at koncentreret solenergi har seriøse udsigter, og at det kan levere op til 25 % af verdens energibehov i 2050. I øjeblikket udvikles mere end 50 nye projekter af denne type kraftværker i verden.