Torņu termiskās saules elektrostacijas, saules enerģijas koncentrēšanas sistēmas

Saule ir ārkārtīgi "tīras" enerģijas avots. Mūsdienās visā pasaulē darbs pie Saules izmantošanas attīstās daudzos virzienos. Pirmkārt, attīstās tā sauktā mazā enerģētika, kas galvenokārt ietver ēku apkuri un siltumapgādi. Taču liela mēroga enerģētikas jomā jau ir sperti nopietni soļi — uz fotokonversijas un termiskās konversijas bāzes tiek veidotas saules elektrostacijas. Šajā rakstā mēs jums pastāstīsim par staciju izredzēm no otrā virziena.

Koncentrētās saules enerģijas tehnoloģija, kas visā pasaulē pazīstama kā CSP (Concentrated Solar Power), ir saules elektrostacijas veids, kas izmanto spoguļus vai lēcas, lai koncentrētu lielu saules gaismas daudzumu nelielā platībā.

CSP nevajadzētu jaukt ar koncentrētu fotoelementu — pazīstamu arī kā CPV (koncentrētu fotoelementu). CSP koncentrētā saules gaisma tiek pārvērsta siltumā, un siltums pēc tam tiek pārveidots par elektroenerģiju.No otras puses, CPV koncentrētā saules gaisma tiek tieši pārveidota elektroenerģijā caur fotoelektriskais efekts.

Saules koncentratoru rūpnieciskā izmantošana

Saules enerģija

Saule sūta spēcīgu starojuma enerģijas plūsmu zemes virzienā. Pat ja ņemam vērā, ka 2/3 no tā atstaro un izkliedē atmosfēra, tomēr zemes virsma 12 mēnešos saņem 1018 kWh enerģijas, kas ir 20 000 reižu vairāk nekā pasaule patērē gada laikā.

Likumsakarīgi, ka šī neizsīkstošā enerģijas avota izmantošana praktiskiem nolūkiem vienmēr ir šķitis ļoti vilinoši. Tomēr pagāja laiks, cilvēks enerģijas meklējumos radīja siltumdzinēju, bloķēja upes, sadalīja atomu un Saule turpināja gaidīt spārnos.

Kāpēc ir tik grūti kontrolēt viņa enerģiju? Pirmkārt, dienas laikā mainās saules starojuma intensitāte, kas ir ārkārtīgi neērti patēriņam. Tas nozīmē, ka saules stacijā ir jābūt akumulatoru instalācijai vai jādarbojas kopā ar citiem avotiem. Bet tas joprojām nav lielākais trūkums. Daudz sliktāk ir tas, ka saules starojuma blīvums uz zemes virsmas ir ļoti zems.

Tātad Krievijas dienvidu reģionos tas ir tikai 900–1000 W / m2... Tas ir pietiekami, lai uzsildītu ūdeni vienkāršākajos kolektoros līdz temperatūrai, kas nepārsniedz 80–90 ° C.

Tas ir piemērots karstā ūdens apgādei un daļēji apkurei, bet nekādā gadījumā elektroenerģijas ražošanai. Šeit ir nepieciešama daudz augstāka temperatūra. Lai palielinātu plūsmas blīvumu, ir nepieciešams to savākt no lielas platības un pārveidot no izkliedētas uz koncentrētu.

Enerģijas ražošana ar saules koncentrēšanas sistēmām

Saules enerģijas koncentrēšanas metodes ir zināmas kopš seniem laikiem.Saglabājusies leģenda par to, kā dižais Arhimēds ar ieliektu pulēta vara spoguļu palīdzību 3. gadsimtā pirms mūsu ēras sadedzināja romiešu floti, kas to aplenca. NS. Sirakūzas. Un, lai gan šo leģendu neapstiprina vēsturiski dokumenti, pati iespēja uzsildīt jebkuru vielu paraboliskā spoguļa fokusā līdz 3500–4000 ° C temperatūrai ir neapstrīdams fakts.

Mēģinājumi izmantot paraboliskos spoguļus noderīgas enerģijas iegūšanai sākās 19. gadsimta otrajā pusē. Īpaši intensīvs darbs tika veikts ASV, Anglijā un Francijā.

Eksperimentāls parabolisks spogulis saules siltumenerģijas izmantošanai Losandželosā, ASV (apmēram 1901. gads).

1866. gadā Augustins Mouchaud izmantoja parabolisko cilindru, lai radītu tvaiku pirmajā saules tvaika dzinējā.

A. Mouchaud saules elektrostacija, kas tika demonstrēta Pasaules rūpniecības izstādē Parīzē 1882. gadā, atstāja milzīgu iespaidu uz laikabiedriem.

Pirmo patentu saules kolektoram ieguva itālis Alesandro Battaglija Dženovā (Itālija) 1886. gadā. Turpmākajos gados tādi izgudrotāji kā Džons Ēriksons un Frenks Šūmans izstrādāja ierīces, kas darbojas, koncentrējot saules enerģiju apūdeņošanai, dzesēšanai un kustībai.

Saules dzinējs, 1882. gads

Franka Šūmaņa saules elektrostacija Kairā

1912. gadā netālu no Kairas tika uzcelta pirmā saules elektrostacija ar jaudu 45 kW ar paraboliski-cilindriskiem koncentratoriem ar kopējo platību 1200 m22, kas tika izmantoti apūdeņošanas sistēmā. Katra spoguļa fokusā tika novietotas caurules. Saules stari koncentrējās uz to virsmas.Ūdens caurulēs pārvēršas tvaikā, ko savāc kopējā kolektorā un padod tvaika dzinējam.

Kopumā jāatzīmē, ka šis bija periods, kad ticība spoguļu fantastiskajam fokusēšanas spēkam pārņēma daudzus prātus. A. Tolstoja romāns "Inženiera Garina hiperboloīds" kļuva par sava veida apliecinājumu šīm cerībām.

Patiešām, vairākās nozarēs šādi spoguļi tiek plaši izmantoti. Pēc šī principa daudzas valstis ir būvētas krāsnis augstas tīrības pakāpes ugunsizturīgo materiālu kausēšanai. Piemēram, Francijā ir pasaulē lielākā krāsns ar jaudu 1 MW.

Un kā ar elektroenerģijas ražošanas iekārtām? Šeit zinātnieki ir saskārušies ar vairākām grūtībām. Pirmkārt, fokusēšanas sistēmu izmaksas ar sarežģītām spoguļu virsmām izrādījās ļoti augstas. Turklāt, palielinoties spoguļu izmēram, izmaksas pieaug eksponenciāli.

Izveidojiet arī spoguli ar platību 500–600 m2 tehniski sarežģītu, un no tā jūs varat iegūt ne vairāk kā 50 kW jaudu. Ir skaidrs, ka šajos apstākļos saules uztvērēja vienības jauda ir ievērojami ierobežota.

Un vēl viens svarīgs apsvērums par izliekto spoguļu sistēmām. Principā no atsevišķiem moduļiem var salikt diezgan lielas sistēmas.

Par pašreizējām šāda veida instalācijām skatiet šeit: Saules koncentratoru izmantošanas piemēri

Paraboliskā sile, ko izmanto Lokhārtas koncentrētajā saules elektrostacijā netālu no Harpera ezera, Kalifornijā (Mojave Saules projekts)

Līdzīgas elektrostacijas ir uzbūvētas daudzās valstīs. Tomēr viņu darbā ir nopietns trūkums - grūtības savākt enerģiju.Galu galā katram spogulim fokusā ir savs tvaika ģenerators, un tie visi ir izkliedēti lielā laukumā. Tas nozīmē, ka tvaiks ir jāsavāc no daudziem saules uztvērējiem, kas ievērojami sarežģī un sadārdzina stacijas izmaksas.

Saules tornis

Pat pirmskara gados inženieris N. V. Linitskis izvirzīja ideju par termālo saules elektrostaciju ar centrālo saules uztvērēju, kas atrodas augstā tornī (torņa tipa saules elektrostacija).

40. gadu beigās V.I. vārdā nosauktā Valsts enerģētikas pētniecības institūta (ENIN) zinātnieki. G. M. Kržižanovskis, R. R. Aparisi, V. A. Baums un B. A. Garfs izstrādāja zinātnisku koncepciju šādas stacijas izveidei. Viņi ierosināja atteikties no sarežģītajiem dārgajiem izliektajiem spoguļiem, aizstājot tos ar vienkāršākajiem plakanajiem heliostatiem.

Saules elektrostaciju darbības princips no torņa ir diezgan vienkāršs. Saules starus atstaro vairāki heliostati un novirza uz centrālā uztvērēja virsmu - saules tvaika ģeneratoru, kas novietots uz torņa.

Atbilstoši Saules novietojumam debesīs automātiski mainās arī heliostatu orientācija. Rezultātā visas dienas garumā koncentrēta saules gaismas straume, ko atstaro simtiem spoguļu, silda tvaika ģeneratoru.

Atšķirība starp SPP konstrukcijām, izmantojot paraboliskos koncentratorus, SPP ar disku koncentratoriem un SPP no torņa

Šis risinājums izrādījās tikpat vienkāršs, cik oriģināls. Bet vissvarīgākais bija tas, ka principā kļuva iespējams izveidot lielas saules elektrostacijas ar vienības jaudu simtiem tūkstošu kW.

Kopš tā laika torņa tipa saules termoelektrostacijas koncepcija ir ieguvusi atzinību visā pasaulē. Tikai 70. gadu beigās šādas stacijas ar jaudu no 0,25 līdz 10 MW tika uzbūvētas ASV, Francijā, Spānijā, Itālijā un Japānā.

SES Themis saules tornis Pireneju-Austrumu kalnos Francijā

Saskaņā ar šo padomju projektu 1985. gadā Krimā, netālu no Štelkino pilsētas, tika uzbūvēta eksperimentāla torņa tipa saules elektrostacija ar jaudu 5 MW (SES-5).

SES-5 tiek izmantots atvērts apļveida saules tvaika ģenerators, kura virsmas, kā saka, ir atvērtas visiem vējiem. Tāpēc pie zemas apkārtējās vides temperatūras un liela vēja ātruma konvekcijas zudumi strauji palielinās un efektivitāte ievērojami samazinās.

Pašlaik tiek uzskatīts, ka dobuma tipa uztvērēji ir daudz efektīvāki. Šeit visas tvaika ģeneratora virsmas ir aizvērtas, kā rezultātā krasi samazinās konvekcijas un radiācijas zudumi.

Pateicoties zemajiem tvaika parametriem (250 °C un 4MPa), SES-5 siltuma efektivitāte ir tikai 0,32.

Pēc 10 gadu darbības 1995. gadā SES-5 Krimā tika slēgts, un 2005. gadā tornis tika nodots metāllūžņos.

Modelis SES-5 Politehniskajā muzejā

Šobrīd ekspluatācijā esošajās torņu saules elektrostacijās tiek izmantotas jaunas konstrukcijas un sistēmas, kurās kā darba šķidrumi tiek izmantoti izkausēti sāļi (40% kālija nitrāts, 60% nātrija nitrāts). Šiem darba šķidrumiem ir lielāka siltumietilpība nekā jūras ūdenim, kas tika izmantots pirmajās eksperimentālajās iekārtās.

Mūsdienu saules termoelektrostacijas tehnoloģiskā shēma

Moderna torņa saules elektrostacija

Protams, saules elektrostacijas ir jauns un sarežģīts bizness, un tam, protams, ir pietiekami daudz pretinieku. Daudzām viņu paustajām šaubām ir diezgan pamatoti iemesli, taču diez vai var piekrist citām.

Piemēram, nereti tiek teikts, ka torņu saules elektrostaciju celtniecībai ir vajadzīgas lielas zemes platības. Taču nevar izslēgt zonas, kur tiek ražots kurināmais tradicionālo elektrostaciju darbībai.

Ir vēl kāds pārliecinošāks gadījums par labu torņu saules elektrostacijām. Hidroelektrostaciju mākslīgo rezervuāru appludinātās zemes īpatnējā platība ir 169 hektāri / MW, kas ir daudzkārt lielāka nekā šādu saules elektrostaciju rādītāji. Turklāt hidroelektrostaciju būvniecības laikā nereti tiek appludinātas ļoti vērtīgas auglīgas zemes, un torņu SPP paredzēts būvēt tuksnešainās teritorijās - zemēs, kas nav piemērotas ne lauksaimniecībai, ne rūpniecības objektu celtniecībai.

Vēl viens torņu SPP kritikas iemesls ir to lielais materiālu patēriņš. Pastāv pat šaubas, vai VVD paredzamajā darbības laikā spēs atdot iekārtu ražošanai un tās būvniecībai izmantoto materiālu ieguvei iztērēto enerģiju.

Patiešām, šādas iekārtas ir materiālu ietilpīgas, taču ir būtiski, lai praktiski visi materiāli, no kuriem būvē modernas saules elektrostacijas, netrūktu.Ekonomiskie aprēķini, kas veikti pēc pirmo moderno torņu saules elektrostaciju palaišanas, parādīja to augsto efektivitāti un diezgan labvēlīgos atmaksāšanās periodus (ekonomiski veiksmīgu projektu piemērus skatīt zemāk).

Vēl viena rezerve saules elektrostaciju ar torni efektivitātes paaugstināšanai ir hibrīdstaciju izveide, kurās saules elektrostacijas darbosies kopā ar tradicionālajām tradicionālā kurināmā termostacijām Kombinētajā stacijā intensīvas saules starojuma stundās degviela iekārta samazina savu jaudu un "paātrina" mākoņainā laikā un maksimālās slodzes laikā.

Mūsdienu saules elektrostaciju piemēri

2008. gada jūnijā uzņēmums Bright Source Energy atvēra saules enerģijas attīstības centru Izraēlas Negevas tuksnesī.

Vietnē tas atrodas Rotemas industriālajā parkā, ir uzstādīti vairāk nekā 1600 heliostati, kas seko saulei un atstaro gaismu 60 metrus augstā saules tornī. Pēc tam koncentrētā enerģija tiek izmantota, lai uzsildītu katlu torņa augšpusē līdz 550°C, radot tvaiku, kas tiek nosūtīts uz turbīnu, kur tiek ražota elektrība. Elektrostacijas jauda 5 MW.

2019. gadā tas pats uzņēmums Negevas tuksnesī uzbūvēja jaunu spēkstaciju —Ašalim… Toya Ražotne, kas sastāv no trim sekcijām ar trīs dažādām tehnoloģijām, apvieno trīs enerģijas veidus: saules siltumenerģiju, fotoelektrisko enerģiju un dabasgāzi (hibrīda spēkstacija). Saules torņa uzstādītā jauda ir 121 MW.

Stacijā ir 50 600 ar datoru vadāmu heliostatu, kas ir pietiekami 120 000 māju apgādāšanai. Torņa augstums ir 260 metri.Tas bija augstākais pasaulē, taču nesen to pārspēja 262,44 metrus augstais saules tornis Mohameda bin Rashid Al Maktoum Saules parkā.

Elektrostacija Negevas tuksnesī Izraēlā

2009. gada vasarā amerikāņu kompānija eSolar uzbūvēja saules bateriju torni Sjerras saules tornis 5 MW elektrostacijai, kas atrodas Lankasterā, Kalifornijā, aptuveni 80 km uz ziemeļiem no Losandželosas.Spēkstacijas platība ir aptuveni 8 hektāri sausā ielejā uz rietumiem no Mohaves tuksneša 35°Z platuma grādos.

Sjerras saules tornis

2009. gada 9. septembrī, pamatojoties uz esošo elektrostaciju piemēru, tika lēsts, ka torņa saules elektrostacijas (CSP) būvniecības izmaksas ir no 2,5 līdz 4 ASV dolāriem par vatu, savukārt degviela (saules starojums) ir bezmaksas. . Tādējādi šādas elektrostacijas ar 250 MW jaudu būvniecība izmaksā no 600 līdz 1000 miljoniem ASV dolāru. Tas nozīmē no 0,12 līdz 0,18 dolāriem / kWh.

Tika arī konstatēts, ka jaunas CSP ražotnes var būt ekonomiski konkurētspējīgas ar fosilo kurināmo.

Bloomberg New Energy Finance analītiķis Nataniels Bulards aplēsis, ka 2014. gadā palaistajā Ivanpas saules elektrostacijā saražotās elektroenerģijas izmaksas ir zemākas nekā Fotoelementu elektrostacija, un ir gandrīz tas pats, kas elektroenerģija no dabasgāzes elektrostacijas.

Slavenākā no saules elektrostacijām šobrīd ir elektrostacija Gemasolar ar jaudu 19,9 MW, kas atrodas uz rietumiem no Esia pilsētas Andalūzijā (Spānija). Spēkstaciju 2011. gada 4. oktobrī atklāja Spānijas karalis Huans Karloss.

Gemsolāra elektrostacija

Šajā projektā, kas saņēma Eiropas Komisijas dotāciju 5 miljonu eiro apmērā, tiek izmantota amerikāņu kompānijas Solar Two pārbaudīta tehnoloģija:

• 2 493 heliostati ar kopējo platību 298 000 m2 izmanto stiklu ar labāku atstarošanu, kura vienkāršotā konstrukcija samazina ražošanas izmaksas par 45%.

• Lielāka siltumenerģijas uzkrāšanas sistēma ar 8500 tonnu kausētu sāļu (nitrātu) ietilpību, kas nodrošina 15 stundu autonomiju (aptuveni 250 MWh) bez saules gaismas.

• Uzlabota sūkņa konstrukcija, kas ļauj sāļus izsūknēt tieši no uzglabāšanas tvertnēm, neizmantojot karteri.

• Tvaika ģenerēšanas sistēma, ieskaitot tvaika piespiedu recirkulāciju.

• Tvaika turbīna ar augstāku spiedienu un augstāku efektivitāti.

• Vienkāršota izkausētā sāls cirkulācijas ķēde, uz pusi samazinot nepieciešamo vārstu skaitu.

Elektrostacijas (tornis un heliostati) kopējā platība ir 190 hektāri.

SPP Gemasolar saules tornis

Abengoa ir uzbūvējis Čau saulainais Dienvidāfrikā — elektrostacija ar 205 metru augstumu un 50 MW jaudu. Atklāšanas ceremonija notika 2013. gada 27. augustā.

Čau saulainais

Ivanpah saules elektroenerģijas ražošanas sistēma — 392 megavatu (MW) saules elektrostacija Kalifornijas Mohaves tuksnesī, 40 jūdzes uz dienvidrietumiem no Lasvegasas. Elektrostacija tika nodota ekspluatācijā 2014. gada 13. februārī.

Ivanpah saules elektroenerģijas ražošanas sistēma

Šīs SPP gada produkcija aptver 140 000 mājsaimniecību patēriņu. Uzstādīti 173 500 heliostata spoguļi, kas fokusē saules enerģiju uz tvaika ģeneratoriem, kas atrodas trīs centrālajos saules torņos.

2013. gada martā tika parakstīts līgums ar Bright Source Energy par elektrostacijas būvniecību Sadedzis Kalifornijā, kas sastāv no diviem 230 m torņiem (katrs 250 MW), nodošana ekspluatācijā plānota 2021. gadā.

Citas darbojošās saules torņu spēkstacijas: Solar Park (Dubaija, 2013), Nur III (Maroka, 2014), Crescent Dunes (Nevada, ASV, 2016), SUPCON Delingha un Shouhang Dunhuang (Kathai, abas 2018), Gonghe, Luneng Haixi un Hami (Ķīna, viss 2019), Cerro Dominador (Čīle, 2021. gada aprīlis).

Inovatīvs risinājums saules enerģijai

Tā kā šī tehnoloģija vislabāk darbojas vietās ar augstu insolāciju (saules starojumu), eksperti prognozē, ka lielākais torņu saules elektrostaciju skaita pieaugums būs tādās vietās kā Āfrika, Meksika un ASV dienvidrietumu daļa.

Tāpat tiek uzskatīts, ka koncentrētai saules enerģijai ir nopietnas perspektīvas un līdz 2050. gadam tā var nodrošināt līdz pat 25% no pasaules enerģijas vajadzībām. Šobrīd pasaulē tiek izstrādāti vairāk nekā 50 jauni šāda veida spēkstaciju projekti.