Torni soojuselektrijaamad, päikeseenergia koondamise süsteemid

Päike on äärmiselt "puhta" energia allikas. Tänapäeval areneb töö Päikese kasutamisega kõikjal maailmas mitmes suunas. Esiteks areneb nn väikeelektritööstus, mis hõlmab peamiselt hoonete kütmist ja soojusvarustust. Aga suurenergeetika vallas on juba tehtud tõsiseid samme — päikeseelektrijaamu luuakse fotokonversiooni ja termilise muundamise baasil. Selles artiklis räägime teile jaamade väljavaadetest teisest suunast.

Kontsentreeritud päikeseenergia tehnoloogia, maailmas tuntud kui CSP (Concentrated Solar Power), on päikeseelektrijaamade tüüp, mis kasutab peegleid või läätsi, et koondada suures koguses päikesevalgust väikesele alale.

CSP-d ei tohiks segi ajada kontsentreeritud fotogalvaanikaga – tuntud ka kui CPV (concentrated photovoltaics). CSP-s muundatakse kontsentreeritud päikesevalgus soojuseks ja soojus muundatakse seejärel elektriks.Teisest küljest muundatakse CPV-s kontsentreeritud päikesevalgus otse elektrienergiaks fotoelektriline efekt.

Päikesekontsentraatorite tööstuslik kasutamine

Päikeseenergia

Päike saadab võimsa kiirgusenergia voo maa suunas. Isegi kui arvestada, et 2/3 sellest peegeldub ja hajub atmosfäär, siis ikkagi saab maapind 12 kuuga 1018 kWh energiat, mis on 20 000 korda rohkem, kui maailm aastas tarbib.

On loomulik, et selle ammendamatu energiaallika kasutamine praktilistel eesmärkidel on alati tundunud väga ahvatlev. Kuid aeg läks, energiat otsiv inimene lõi soojusmasina, blokeeris jõed, lõhestas aatomi ja Päike ootas edasi tiibades.

Miks on tema energiat nii raske kontrollida? Esiteks muutub päeva jooksul päikesekiirguse intensiivsus, mis on tarbimiseks äärmiselt ebamugav. See tähendab, et päikesejaamal peab olema akupaigaldus või see peab töötama koos teiste allikatega. Kuid see pole ikkagi suurim puudus. Veelgi hullem on päikesekiirguse tihedus maapinnal väga madal.

Nii et Venemaa lõunapoolsetes piirkondades on see vaid 900–1000 W / m2... Sellest piisab ainult kõige lihtsamate kollektorite vee soojendamiseks temperatuurini 80–90 °C.

Sobib sooja veevarustuseks ja osaliselt ka kütteks, kuid mitte mingil juhul elektri tootmiseks. Siin on vaja palju kõrgemaid temperatuure. Voolutiheduse suurendamiseks on vaja see koguda suurelt alalt ja muuta see hajusalt kontsentreerituks.

Energia tootmine päikeseenergia kontsentreerimissüsteemidega

Päikeseenergia kontsentreerimise meetodid on tuntud juba iidsetest aegadest.Säilinud on legend, kuidas suur Archimedes 3. sajandil eKr põletas nõgusate poleeritud vaskpeeglite abil seda piiranud Rooma laevastiku. NS. Sürakuusa. Ja kuigi seda legendi ajaloolised dokumendid ei kinnita, on vaieldamatu tõsiasi, et paraboolpeegli fookuses võib mis tahes ainet kuumutada temperatuurini 3500–4000 ° C.

Katsed kasutada kasuliku energia genereerimiseks paraboolpeegleid algasid 19. sajandi teisel poolel. Eriti intensiivne töö käis USA-s, Inglismaal ja Prantsusmaal.

Eksperimentaalne paraboolpeegel päikese soojusenergia kasutamiseks Los Angeleses, USA-s (umbes 1901).

1866. aastal kasutas Augustin Mouchaud paraboolsilindrit auru tekitamiseks esimeses päikeseenergia aurumasinas.

1882. aastal Pariisis ülemaailmsel tööstusnäitusel demonstreeritud A. Mouchaud päikeseelektrijaam jättis kaasaegsetele tohutu mulje.

Esimese päikesekollektori patendi sai itaallane Alessandro Battaglia Genovas (Itaalia) aastal 1886. Järgnevatel aastatel töötasid sellised leiutajad nagu John Erickson ja Frank Schumann välja seadmeid, mis töötavad päikeseenergia koondamisel niisutamiseks, jahutamiseks ja liikumiseks.

Päikesemootor, 1882

Frank Schumanni päikeseelektrijaam Kairos

1912. aastal ehitati Kairo lähedale esimene 45 kW võimsusega päikeseelektrijaam koos parabool-silindriliste kontsentraatoritega kogupinnaga 1200 m22, mida kasutati niisutussüsteemis. Iga peegli fookusesse asetati torud. Päikesekiired olid koondunud nende pinnale.Vesi torudes muutub auruks, mis kogutakse ühisesse kollektorisse ja juhitakse aurumasinasse.

Üldiselt tuleb märkida, et see oli periood, mil usk peeglite fantastilisesse teravustamisvõimesse vallutas paljusid meeli. A. Tolstoi romaan "Insener Garini hüperboloid" sai nende lootuste omamoodi tõendiks.

Tõepoolest, paljudes tööstusharudes kasutatakse selliseid peegleid laialdaselt. Sellel põhimõttel on paljud riigid ehitanud ahjud kõrge puhtusastmega tulekindlate materjalide sulatamiseks. Näiteks Prantsusmaal on maailma suurim ahi võimsusega 1 MW.

Ja kuidas on lood elektrienergia tootmisseadmetega? Siin on teadlased silmitsi mitmete raskustega. Esiteks osutus keerukate peegelpindadega teravustamissüsteemide maksumus väga kõrgeks. Samuti suureneb peeglite suuruse kasvades kulud plahvatuslikult.

Samuti tehke tehniliselt keeruline peegel pindalaga 500–600 m2 ja sellest ei saa rohkem kui 50 kW võimsust. On selge, et nendel tingimustel on päikesevastuvõtja ühikuvõimsus oluliselt piiratud.

Ja veel üks oluline kaalutlus kõverpeeglisüsteemide kohta. Põhimõtteliselt saab üksikutest moodulitest kokku panna päris suuri süsteeme.

Seda tüüpi praeguste installide kohta vaadake siit: Näited päikesekontsentraatorite kasutamisest

Paraboolküna, mida kasutatakse Lockharti kontsentreeritud päikeseelektrijaamas Harper Lake'i lähedal Californias (Mojave päikeseprojekt)

Sarnaseid elektrijaamu on ehitatud paljudes riikides. Nende tööl on aga tõsine puudus – raskused energia kogumisel.Igal peeglil on ju fookuses oma aurugeneraator ja need on kõik laiali laiali. See tähendab, et auru tuleb koguda paljudest päikesevastuvõtjatest, mis raskendab ja suurendab oluliselt jaama maksumust.

Päikesetorn

Isegi sõjaeelsetel aastatel pakkus insener N. V. Linitsky välja idee kõrgel tornil asuva keskse päikesevastuvõtjaga termilise päikeseelektrijaama kohta (torn-tüüpi päikeseelektrijaam).

1940. aastate lõpus leidsid V.I. järgi nime saanud riikliku energeetikauuringute instituudi (ENIN) teadlased. G. M. Kržižanovski, R. R. Aparisi, V. A. Baum ja B. A. Garf töötasid välja teadusliku kontseptsiooni sellise jaama loomiseks. Nad tegid ettepaneku loobuda keerukatest kallitest kõverpeeglitest, asendades need kõige lihtsamate lamedate heliostaatidega.

Päikeseelektrijaamade tornist töötamise põhimõte on üsna lihtne. Päikesekiired peegelduvad mitme heliostaadi poolt ja suunatakse keskse vastuvõtja pinnale - tornile asetatud päikeseaurugeneraator.

Vastavalt Päikese asukohale taevas muutub automaatselt ka heliostaatide orientatsioon. Selle tulemusena soojendab aurugeneraatorit kogu päeva kontsentreeritud päikesevalguse voog, mis peegeldub sadadest peeglitest.

Erinevus paraboolkontsentraatoreid kasutavate SPP-de, ketaskontsentraatoritega SPP-de ja tornist pärit SPP-de vahel

See lahendus osutus sama lihtsaks kui originaalne. Kuid kõige olulisem oli see, et põhimõtteliselt sai võimalikuks luua suuri päikeseelektrijaamu, mille ühikvõimsus on sadu tuhandeid kW.

Sellest ajast alates on torni tüüpi päikesesoojuselektrijaama kontseptsioon pälvinud ülemaailmset tunnustust. Alles 1970. aastate lõpus ehitati selliseid jaamu võimsusega 0,25–10 MW USA-s, Prantsusmaal, Hispaanias, Itaalias ja Jaapanis.

SES Themis päikesetorn Püreneedes-Idamaades Prantsusmaal

Selle nõukogude projekti järgi ehitati 1985. aastal Krimmis Shtelkino linna lähedal eksperimentaalne torn-tüüpi päikeseelektrijaam võimsusega 5 MW (SES-5).

SES-5-s kasutatakse avatud ringikujulist päikeseaurugeneraatorit, mille pinnad, nagu öeldakse, on avatud kõikidele tuultele. Seetõttu suurenevad madalate välistemperatuuride ja suure tuulekiiruse korral konvektiivkaod järsult ja efektiivsus väheneb oluliselt.

Nüüd arvatakse, et õõnsuse tüüpi vastuvõtjad on palju tõhusamad. Siin on kõik aurugeneraatori pinnad suletud, mille tõttu konvektiiv- ja kiirguskaod vähenevad järsult.

Tänu madalatele auruparameetritele (250 °C ja 4MPa) on SES-5 soojuslik kasutegur vaid 0,32.

Pärast 10 aastat tegutsemist 1995. aastal suleti SES-5 Krimmis ja 2005. aastal anti torn vanarauaks.

Mudel SES-5 polütehnilises muuseumis

Praegu töötavates tornipäikeseelektrijaamades kasutatakse uusi konstruktsioone ja süsteeme, mis kasutavad töövedelikena sulasooli (40% kaaliumnitraati, 60% naatriumnitraati). Nendel töövedelikel on suurem soojusmahtuvus kui mereveel, mida kasutati esimestes katseseadmetes.

Kaasaegse päikesesoojuselektrijaama tehnoloogiline skeem

Kaasaegne tornpäikeseelektrijaam

Muidugi on päikeseelektrijaamad uus ja keeruline äri ning neile on loomulikult piisavalt vastaseid. Paljudel nende väljendatud kahtlustel on üsna mõjuvad põhjused, kuid vaevalt saab teistega nõustuda.

Näiteks räägitakse sageli, et tornpäikeseelektrijaamade ehitamiseks on vaja suuri maa-alasid. Siiski ei saa välistada piirkondi, kus toodetakse kütust traditsiooniliste elektrijaamade tööks.

Tornpäikeseelektrijaamade kasuks on veel üks veenvam juhtum. Hüdroelektrijaamade tehisreservuaaridega üleujutatud maa pindala on 169 hektarit / MW, mis on mitu korda suurem kui selliste päikeseelektrijaamade näitajad. Veelgi enam, hüdroelektrijaamade ehitamise ajal ujutatakse sageli üle väga väärtuslikud viljakad maad ja tornide SPP-d tuleks ehitada kõrbealadele - maadele, mis ei sobi põllumajanduseks ega tööstusrajatiste ehitamiseks.

Teine põhjus tornide SPP-de kriitikaks on nende suur materjalikulu. On isegi kahtlust, kas SES suudab eeldatava tegevusaja jooksul seadmete tootmiseks ja selle ehitamiseks kasutatud materjalide hankimiseks kulutatud energia tagasi maksta.

Tõepoolest, sellised paigaldised on materjalimahukad, kuid on oluline, et praktiliselt kõik materjalid, millest tänapäevased päikeseelektrijaamad ehitatakse, ei oleks defitsiit.Pärast esimeste kaasaegsete tornpäikeseelektrijaamade käivitamist tehtud majandusarvutused näitasid nende kõrget kasutegurit ja üsna soodsaid tasuvusaegu (vt allpool näiteid majanduslikult edukatest projektidest).

Teine reserv torniga päikeseelektrijaamade efektiivsuse tõstmiseks on hübriidjaamade loomine, milles päikesejaamad hakkavad töötama koos traditsioonilise kütusega tavaliste soojusjaamadega Kombineeritud jaamas intensiivse päikesekiirguse tundidel kütus taim vähendab oma võimsust ja "kiireneb" pilvise ilmaga ja tippkoormusega.

Näited kaasaegsetest päikeseelektrijaamadest

2008. aasta juunis avas Bright Source Energy päikeseenergia arenduskeskuse Iisraelis Negevi kõrbes.

Saidil see asub Rotema tööstuspargis, on paigaldatud üle 1600 heliostaadi, mis järgivad päikest ja peegeldavad valgust 60-meetrisele päikesetornile. Seejärel kasutatakse kontsentreeritud energiat torni ülaosas asuva katla soojendamiseks 550 °C-ni, tekitades auru, mis suunatakse turbiini, kus toodetakse elektrit. Elektrijaama võimsus 5 MW.

2019. aastal ehitas sama ettevõte Negevi kõrbesse uue elektrijaama —Ashalim… Toya Kolmest sektsioonist koosnev kolme erineva tehnoloogiaga tehas ühendab endas kolme tüüpi energiat: päikese soojusenergia, fotogalvaaniline energia ja maagaas (hübriidelektrijaam). Päikesetorni installeeritud võimsus on 121 MW.

Jaamas on 50 600 arvutiga juhitavat heliostaati, millest piisab 120 000 kodu toiteks. Torni kõrgus on 260 meetrit.See oli maailma kõrgeim, kuid hiljuti ületas selle Mohammed bin Rashid Al Maktoumi päikesepargi 262,44-meetrine päikesetorn.

Elektrijaam Negevi kõrbes Iisraelis

2009. aasta suvel ehitas Ameerika ettevõte eSolar päikesetorni Sierra päikesetorn 5 MW elektrijaama jaoks, mis asub Lancasteris, Californias, umbes 80 km Los Angelesest põhja pool. Elektrijaam hõlmab umbes 8 hektari suuruse ala Mojave kõrbest läänes 35° põhjalaiusel kuivas orus.

Sierra päikesetorn

Seisuga 9. september 2009 hinnati olemasolevate elektrijaamade näitel tornpäikeseelektrijaama (CSP) ehitamise maksumuseks 2,5–4 USA dollarit vati kohta, samas kui kütus (päikesekiirgus) on tasuta. . Seega maksab sellise 250 MW võimsusega elektrijaama ehitamine 600–1000 miljonit USA dollarit. See tähendab 0,12–0,18 dollarit / kWh.

Samuti leiti, et uued CSP tehased võivad olla majanduslikult konkurentsivõimelised fossiilkütustega.

Bloomberg New Energy Finance'i analüütik Nathaniel Bullard hindas, et 2014. aastal käivitatud Iwanpa päikeseelektrijaama toodetud elektri hind on madalam kui 2014. aastal toodetud elektrienergia oma. Fotogalvaaniline elektrijaam, ja on peaaegu sama, mis maagaasielektrijaama elektrienergia.

Päikeseelektrijaamadest on hetkel tuntuim elektrijaam Gemasolar võimsusega 19,9 MW, mis asub Andaluusias (Hispaania) Esia linnast läänes. Elektrijaama avas 4. oktoobril 2011 Hispaania kuningas Juan Carlos.

Gemsolar elektrijaam

See Euroopa Komisjonilt 5 miljonit eurot toetust saanud projekt kasutab Ameerika ettevõtte Solar Two testitud tehnoloogiat:

• 2493 heliostaati kogupinnaga 298 000 m2 kasutavad parema peegelduvusega klaasi, mille lihtsustatud disain vähendab tootmiskulusid 45%.

• Suurem soojusenergia salvestamise süsteem mahutavusega 8500 tonni sulasooli (nitraate), mis tagab päikesevalguse puudumisel 15-tunnise autonoomia (umbes 250 MWh).

• Täiustatud pumba konstruktsioon, mis võimaldab pumbata soolasid otse mahutitest, ilma et oleks vaja karterit.

• Auru genereerimise süsteem, sealhulgas auru sundringlus.

• Kõrgema rõhu ja suurema kasuteguriga auruturbiin.

• Lihtsustatud sulasoola ringlusring, mis vähendab vajalike ventiilide arvu poole võrra.

Elektrijaama (torn ja heliostaadid) kogupindala on 190 hektarit.

SPP Gemasolar päikesetorn

Abengoa on ehitanud Tere päikeseline Lõuna-Aafrikas — 205 meetri kõrguse ja 50 MW võimsusega elektrijaam. Avatseremoonia toimus 27. augustil 2013. aastal.

Tere päikeseline

Ivanpah päikeseenergia elektritootmissüsteem — 392 megavatine (MW) päikeseelektrijaam Californias Mojave kõrbes, Las Vegasest 40 miili edelas. Elektrijaam võeti kasutusele 13. veebruaril 2014. aastal.

Ivanpah päikeseenergia elektritootmissüsteem

Selle SPP aastane toodang katab 140 000 majapidamise tarbimise. Paigaldati 173 500 heliostaatpeeglit, mis koondavad päikeseenergiat aurugeneraatoritele, mis asuvad kolmel kesksel päikesetornil.

2013. aasta märtsis sõlmiti Bright Source Energyga leping elektrijaama ehitamiseks Põlenud Californias, mis koosneb kahest 230 m kõrgusest tornist (igaüks 250 MW), kasutuselevõtt on kavandatud 2021. aastal.

Muud töötavad päikesetorni elektrijaamad: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Maroko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha ja Shouhang Dunhuang (Kathai, mõlemad 2018), Gonghe, Luneng Haixi ja Hami (Hiina, kõik 2019), Cerro Dominador (Tšiili, aprill 2021).

Uuenduslik lahendus päikeseenergia jaoks

Kuna see tehnoloogia töötab kõige paremini kõrge insolatsiooniga (päikesekiirgusega) piirkondades, ennustavad eksperdid, et torniga päikeseelektrijaamade arv kasvab kõige rohkem sellistes kohtades nagu Aafrika, Mehhiko ja USA edelaosa.

Samuti arvatakse, et kontsentreeritud päikeseenergial on tõsised väljavaated ja see suudab aastaks 2050 katta kuni 25% maailma energiavajadusest. Praegu arendatakse maailmas enam kui 50 uut seda tüüpi elektrijaamade projekti.