Torn termiska solkraftverk, solenergi koncentrera system

Solen är en källa till extremt "ren" energi. Idag, över hela världen, utvecklas arbetet med användningen av solen i många riktningar. Först och främst utvecklas den så kallade småkraftsindustrin, som främst omfattar byggnadsvärme och värmeförsörjning. Men allvarliga steg har redan tagits inom området storskalig energi — solkraftverk skapas på basis av fotokonvertering och termisk omvandling. I den här artikeln kommer vi att berätta om utsikterna för stationer från den andra riktningen.

Concentrated Solar Power-teknologi, känd över hela världen som CSP (Concentrated Solar Power), är en typ av solkraftverk som använder speglar eller linser för att koncentrera stora mängder solljus till ett litet område.

CSP ska inte förväxlas med koncentrerad solcellsanläggning – även känd som CPV (koncentrerad solcell). I CSP omvandlas koncentrerat solljus till värme och värmen omvandlas sedan till elektricitet.Å andra sidan, i CPV omvandlas koncentrerat solljus direkt till el via fotoelektrisk effekt.

Industriell användning av solkoncentratorer

Solenergi

Solen skickar en kraftfull ström av strålande energi i riktning mot jorden. Även om vi tar med i beräkningen att 2/3 av det reflekteras och sprids av atmosfären, får ändå jordytan 1018 kWh energi på 12 månader, vilket är 20 000 gånger mer än vad världen förbrukar på ett år.

Det är naturligt att använda denna outtömliga energikälla för praktiska ändamål alltid har verkat mycket lockande. Men tiden gick, människan på jakt efter energi skapade en värmemotor, blockerade floder, splittrade en atom och solen fortsatte att vänta i vingarna.

Varför är det så svårt att kontrollera sin energi? För det första ändras intensiteten av solstrålningen under dagen, vilket är extremt obekvämt för konsumtion. Det innebär att solcellsstationen måste ha batteriinstallation eller fungera tillsammans med andra källor. Men detta är fortfarande inte den största nackdelen. Mycket värre är att tätheten av solstrålning på jordens yta är mycket låg.

Så i de södra delarna av Ryssland är det bara 900 - 1000 W / m2 ... Detta räcker bara för att värma vattnet i de enklaste samlare till temperaturer på högst 80 - 90 ° C.

Den är lämplig för varmvattenförsörjning och delvis för uppvärmning, men i inget fall för elproduktion. Här behövs mycket högre temperaturer. För att öka flödestätheten är det nödvändigt att samla det från ett stort område och omvandla det från spritt till koncentrerat.

Energiproduktion med solkoncentreringssystem

Metoder för att koncentrera solenergi har varit kända sedan urminnes tider.En legend har bevarats om hur den store Arkimedes, med hjälp av konkava polerade kopparspeglar, brände den romerska flottan som belägrade den på 300-talet f.Kr. NS. Syrakusa. Och även om denna legend inte bekräftas av historiska dokument, är själva möjligheten att värma upp i fokus för en parabolisk spegel något ämne till temperaturer på 3500 - 4000 ° C ett obestridligt faktum.

Försök att använda paraboliska speglar för att generera användbar energi började under andra hälften av 1800-talet. Särskilt intensivt arbete utfördes i USA, England och Frankrike.

En experimentell parabolisk spegel för användning av solvärmeenergi i Los Angeles, USA (cirka 1901).

1866 använde Augustin Mouchaud en parabolcylinder för att generera ånga i den första solångmotorn.

A. Mouchauds solkraftverk, som demonstrerades på världsindustriutställningen i Paris 1882, gjorde ett enormt intryck på samtida.

Det första patentet för en solfångare erhölls av italienaren Alessandro Battaglia i Genua (Italien) 1886. Under de följande åren utvecklade uppfinnare som John Erickson och Frank Schumann apparater som fungerar genom att koncentrera solenergin för bevattning, kylning och rörelse.

Solmotor, 1882

Frank Schumanns solcellsanläggning i Kairo

1912 byggdes det första solkraftverket med en kapacitet på 45 kW nära Kairo med paraboliskt-cylindriska koncentratorer med en total yta på 1200 m22 som användes i bevattningssystemet. Rören placerades i fokus för varje spegel. Solens strålar var koncentrerade på deras yta.Vattnet i rören blir till ånga, som samlas upp i en gemensam uppsamlare och matas till ångmaskinen.

Generellt bör det noteras att detta var en period då tron ​​på speglarnas fantastiska fokuseringskraft tog tag i många sinnen. A. Tolstoys roman "The Hyperboloid of Engineer Garin" blev ett slags bevis på dessa förhoppningar.

I ett antal branscher används sådana speglar i stor utsträckning. Enligt denna princip har många länder byggt ugnar för att smälta eldfasta material med hög renhet. Till exempel har Frankrike den största ugnen i världen med en kapacitet på 1 MW.

Och hur är det med installationer för att generera elektrisk energi? Här har forskare ställts inför ett antal svårigheter. För det första visade sig kostnaden för fokuseringssystem med komplexa spegelytor vara mycket hög. Dessutom, när storleken på speglarna ökar, ökar kostnaderna exponentiellt.

Skapa också en spegel med en yta på 500 - 600 m2 tekniskt svår, och du kan inte få mer än 50 kW effekt från den. Det är tydligt att under dessa förhållanden är enhetseffekten för solcellsmottagaren avsevärt begränsad.

Och ytterligare ett viktigt övervägande om böjda spegelsystem. I princip kan ganska stora system monteras av enskilda moduler.

För aktuella installationer av denna typ se här: Exempel på användning av solkoncentratorer

Paraboltråg som används vid Lockhart Concentrated Solar Power Plant nära Harper Lake, Kalifornien (Mojave Solar Project)

Liknande kraftverk har byggts i många länder. Men det finns en allvarlig nackdel i deras arbete - svårigheten att samla energi.När allt kommer omkring har varje spegel sin egen ånggenerator i fokus, och de är alla spridda över ett stort område. Detta innebär att ångan måste hämtas från många solcellsmottagare, vilket avsevärt komplicerar och ökar kostnaden för stationen.

Solar torn

Även under förkrigsåren lade ingenjören N. V. Linitsky fram idén om ett termiskt solkraftverk med en central solcellsmottagare placerad på ett högt torn (solkraftverk av torntyp).

I slutet av 1940-talet, forskare från Statens forskningsinstitut för energi (ENIN) uppkallad efter V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum och B. A. Garf utvecklade ett vetenskapligt koncept för skapandet av en sådan station. De föreslog att överge de komplexa dyra böjda speglarna och ersätta dem med de enklaste platta heliostaterna.

Principen för drift av solkraftverk från ett torn är ganska enkel. Solens strålar reflekteras av flera heliostater och riktas mot ytan av en central mottagare - en solånggenerator placerad på tornet.

I enlighet med solens position på himlen ändras också heliostaternas orientering automatiskt. Som ett resultat, hela dagen, värmer en koncentrerad ström av solljus, reflekterad av hundratals speglar, ånggeneratorn.

Skillnaden mellan SPP-konstruktioner som använder paraboliska koncentratorer, SPP med skivkoncentratorer och SPP från ett torn

Denna lösning visade sig vara lika enkel som den var original. Men det viktigaste var att det i princip blev möjligt att skapa stora solkraftverk med en enhetseffekt på hundratusentals kW.

Sedan dess har konceptet med solvärmekraftverk av torntyp fått världsomspännande erkännande. Först i slutet av 1970-talet byggdes sådana stationer med en kapacitet på 0,25 till 10 MW i USA, Frankrike, Spanien, Italien och Japan.

SES Themis soltorn i Pyrenéerna-Orientales i Frankrike

Enligt detta sovjetiska projekt byggdes 1985 på Krim, nära staden Shtelkino, ett experimentellt solkraftverk av torntyp med en kapacitet på 5 MW (SES-5).

I SES-5 används en öppen cirkulär solånggenerator, vars ytor, som de säger, är öppna för alla vindar. Vid låga omgivningstemperaturer och höga vindhastigheter ökar därför konvektionsförlusterna kraftigt och effektiviteten minskar avsevärt.

Mottagare av hålrumstyp tros nu vara mycket effektivare. Här är alla ytor på ånggeneratorn stängda, på grund av vilka konvektions- och strålningsförluster minskar kraftigt.

På grund av de låga ångparametrarna (250 °C och 4MPa) är den termiska verkningsgraden för SES-5 endast 0,32.

Efter 10 års drift 1995 stängdes SES-5 på Krim, och 2005 överlämnades tornet till skrot.

Modell SES-5 i Yrkeshögskolan

Tornsolkraftverk som för närvarande är i drift använder nya konstruktioner och system som använder smälta salter (40 % kaliumnitrat, 60 % natriumnitrat) som arbetsvätskor. Dessa arbetsvätskor har en högre värmekapacitet än havsvatten, som användes i de första experimentinstallationerna.

Teknologiskt diagram av ett modernt solvärmekraftverk

Modernt torn solkraftverk

Naturligtvis är solkraftverk en ny och komplicerad verksamhet och har naturligtvis tillräckligt med motståndare. Många av de tvivel de uttrycker har ganska goda skäl, men man kan knappast hålla med andra.

Det sägs till exempel ofta att det krävs stora landområden för att bygga solkraftverk i torn. De områden där bränsle produceras för drift av traditionella kraftverk kan dock inte uteslutas.

Det finns ett annat mer övertygande fall till förmån för tornsolkraftverk. Det specifika området av landet som översvämmas av konstgjorda reservoarer av vattenkraftverk är 169 hektar / MW, vilket är många gånger högre än indikatorerna för sådana solkraftverk. Dessutom, under byggandet av vattenkraftverk, översvämmas ofta mycket värdefulla bördiga marker, och torn SPPs är tänkta att byggas i ökenområden - på marker som varken är lämpliga för jordbruk eller för byggande av industrianläggningar.

En annan anledning till kritik mot torn-SPP är deras höga materialförbrukning. Det råder till och med tvivel om huruvida SES kommer att kunna återföra den energi som spenderats på produktion av utrustning och för att skaffa material som används för dess konstruktion under den beräknade driftperioden.

Sådana installationer är faktiskt materialintensiva, men det är viktigt att praktiskt taget allt material som moderna solkraftverk byggs av inte är en bristvara.Ekonomiska beräkningar som gjordes efter lanseringen av de första moderna solkraftverken i tornet visade deras höga effektivitet och ganska gynnsamma återbetalningsperioder (se nedan för exempel på ekonomiskt framgångsrika projekt).

En annan reserv för att öka effektiviteten hos solkraftverk med ett torn är skapandet av hybridanläggningar, där solkraftverk kommer att arbeta tillsammans med konventionella termiska anläggningar av traditionellt bränsle. Vid den kombinerade anläggningen, under timmar av intensiv solstrålning, bränslet anläggningen minskar sin kraft och "accelererar" i molnigt väder och vid toppbelastningar.

Exempel på moderna solkraftverk

I juni 2008 öppnade Bright Source Energy ett utvecklingscenter för solenergi i Israels Negev-öken.

På platsen ligger den i Rotema industripark, har över 1 600 heliostater installerats som följer solen och reflekterar ljus på ett 60 meter långt soltorn. Den koncentrerade energin används sedan för att värma upp pannan högst upp i tornet till 550°C, vilket genererar ånga som skickas till en turbin där el genereras. Kraftverkskapacitet 5 MW.

2019 byggde samma företag ett nytt kraftverk i Negev-öknen —Ashalim… Toya Anläggningen består av tre sektioner med tre olika teknologier och kombinerar tre typer av energi: solvärmeenergi, solcellsenergi och naturgas (hybridkraftverk). Soltornets installerade effekt är 121 MW.

Stationen innehåller 50 600 datorstyrda heliostater, tillräckligt för att driva 120 000 hem. Tornets höjd är 260 meter.Det var det högsta i världen, men överträffades nyligen av det 262,44 meter höga soltornet i Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Ett kraftverk i Negev-öknen i Israel

Sommaren 2009 byggde det amerikanska företaget eSolar ett soltorn Sierra Solar Tower för ett 5 MW kraftverk beläget i Lancaster, Kalifornien, cirka 80 km norr om Los Angeles.Kraftverket täcker ett område på cirka 8 hektar i en torr dal väster om Mojaveöknen på 35°N latitud.

Sierra Solar Tower

Från och med den 9 september 2009, baserat på exemplet med befintliga kraftverk, uppskattades kostnaden för att bygga ett tornsolkraftverk (CSP) är 2,5 till 4 USD per watt, medan bränslet (solstrålningen) är gratis . Således kostar byggandet av ett sådant kraftverk med en kapacitet på 250 MW från 600 till 1000 miljoner US-dollar. Det betyder från 0,12 till 0,18 dollar/kWh.

Man fann också att nya CSP-anläggningar kan vara ekonomiskt konkurrenskraftiga med fossila bränslen.

Nathaniel Bullard, analytiker på Bloomberg New Energy Finance, uppskattade att kostnaden för el som genereras av Iwanpas solkraftverk, som lanserades 2014, är lägre än el som genereras av Solcellskraftverk, och är nästan detsamma som el från ett naturgaskraftverk.

Det mest kända av solkraftverken för tillfället är kraftverket Gemasolar med en kapacitet på 19,9 MW, belägen väster om staden Esia i Andalusien (Spanien). Kraftverket invigdes av Spaniens kung Juan Carlos den 4 oktober 2011.

Gemsolar kraftverk

Detta projekt, som fick ett bidrag på 5 miljoner euro från EU-kommissionen, använder teknik som testats av det amerikanska företaget Solar Two:

• 2 493 heliostater med en total yta på 298 000 m2 använder glas med bättre reflektivitet, vars förenklade design minskar produktionskostnaderna med 45%.

• Ett större lagringssystem för värmeenergi med en kapacitet på 8 500 ton smälta salter (nitrater), vilket ger en autonomi på 15 timmar (cirka 250 MWh) i frånvaro av solljus.

• Förbättrad pumpdesign som gör att salter kan pumpas direkt från lagringstankar utan behov av en sump.

• Ånggenereringssystem inklusive forcerad återcirkulation av ånga.

• Ångturbin med högre tryck och högre verkningsgrad.

• Förenklad cirkulationskrets för smält salt, halverar antalet ventiler som krävs.

Kraftverket (torn och heliostater) täcker en total yta på 190 hektar.

SPP Gemasolar Solar Tower

Abengoa har byggt Hej soliga en i Sydafrika — ett kraftverk med en höjd av 205 meter och en kapacitet på 50 MW. Invigningsceremonin ägde rum den 27 augusti 2013.

Hej soliga en

Ivanpah Solar Electric Generation System — ett 392 megawatt (MW) solkraftverk i Kaliforniens Mojave-öknen, 65 km sydväst om Las Vegas. Kraftverket togs i drift den 13 februari 2014.

Ivanpah Solar Electric Generation System

Den årliga produktionen av detta SPP täcker konsumtionen av 140 000 hushåll. Installerade 173 500 heliostatspeglar som fokuserar solenergi på ånggeneratorer placerade på tre centrala soltorn.

I mars 2013 tecknades ett avtal med Bright Source Energy om att bygga ett kraftverk Bränt i Kalifornien, bestående av två 230 m torn (250 MW vardera), idrifttagning planerad till 2021.

Andra operativa soltornskraftverk: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marocko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha och Shouhang Dunhuang (Kathai, båda 2018.), Gonghe, Luneng Haixi och Hami (Kina, hela 2019), Cerro Dominador (Chile, april 2021).

En innovativ lösning för solenergi

Eftersom denna teknik fungerar bäst i områden med hög solstrålning (solstrålning), förutspår experter att den största tillväxten i antalet solkraftverk i tornet kommer att ske i platser som Afrika, Mexiko och sydvästra USA.

Man tror också att koncentrerad solenergi har seriösa utsikter och att den kan ge upp till 25 % av världens energibehov till 2050. För närvarande utvecklas mer än 50 nya projekt av denna typ av kraftverk i världen.