Топлинни слънчеви електроцентрали от кула, системи за концентрация на слънчева енергия

Слънцето е източник на изключително „чиста“ енергия. Днес по целия свят работата по използването на Слънцето се развива в много посоки. На първо място се развива така наречената малка електроенергийна промишленост, която включва основно отопление на сгради и топлоснабдяване. Но сериозни стъпки вече са направени в областта на мащабната енергия — слънчеви електроцентрали се създават на базата на фотоконверсия и термично преобразуване. В тази статия ще ви разкажем за перспективите на станциите от второ направление.

Технологията за концентрирана слънчева енергия, известна по целия свят като CSP (на английски: Concentrated Solar Power), е вид слънчева електроцентрала, която използва огледала или лещи, за да концентрира големи количества слънчева светлина в малка площ.

CSP не трябва да се бърка с концентрирана фотоволтаична енергия — известна още като CPV (концентрирани фотоволтаици). В CSP концентрираната слънчева светлина се превръща в топлина, а след това топлината се превръща в електричество. От друга страна, в CPV концентрираната слънчева светлина се превръща директно в електричество чрез фотоелектричен ефект.

Промишлено използване на слънчеви концентратори

Слънчева енергия

Слънцето изпраща мощен поток от лъчиста енергия в посоката на земята. Дори да вземем предвид, че 2/3 от нея се отразява и разпръсква от атмосферата, все пак земната повърхност получава 1018 kWh енергия за 12 месеца, което е 20 000 пъти повече, отколкото се консумира в света година.

Естествено е използването на този неизчерпаем източник на енергия за практически цели винаги да е изглеждало много примамливо. Времето обаче минало, човек в търсене на енергия създал топлинен двигател, блокирал реки, разцепил атом и Слънцето продължило да чака в крилата.

Защо е толкова трудно да се овладее неговата енергия? Първо, интензивността на слънчевата радиация се променя през деня, което е изключително неудобно за консумация. Това означава, че слънчевата станция трябва да има акумулаторна инсталация или да работи заедно с други източници. Но това все още не е най -големият недостатък. Много по -лошо е, че плътността на слънчевата радиация на земната повърхност е много ниска.

Така че в южните райони на Русия тя е само 900 — 1000 W / m2… Това е достатъчно само за загряване на водата в най -простите колектори до температури не повече от 80 — 90 ° C.

Подходящ е за захранване с топла вода и отчасти за отопление, но в никакъв случай за генериране на електричество. Тук са необходими много по -високи температури. За да се увеличи плътността на потока, е необходимо да се събере от голяма площ и да се трансформира от разсеяна в концентрирана.

Производство на енергия със слънчеви системи за концентрация

Методите за концентриране на слънчевата енергия са известни от древни времена. Запазена е легенда за това как великият Архимед с помощта на вдлъбнати полирани медни огледала е изгорил римския флот, който е обсаждал през 3 век пр.н.е. NS. Сиракуза. И въпреки че тази легенда не се потвърждава от исторически документи, самата възможност за нагряване във фокуса на параболично огледало на всяко вещество до температури от 3500 — 4000 ° C е неоспорим факт.

Опитите да се използват параболични огледала за генериране на полезна енергия започват през втората половина на 19 век. Особено интензивна работа беше извършена в САЩ, Англия и Франция.

Експериментално параболично огледало за използване на слънчева топлинна енергия в Лос Анджелис, САЩ (около 1901 г.).

През 1866 г. Августин Мушо използва параболичен цилиндър за генериране на пара в първата слънчева парна машина.

Огромно впечатление на съвременниците направи слънчевата електроцентрала на А. Мушо, демонстрирана на Световното индустриално изложение в Париж през 1882 г.

Първият патент за слънчев колектор е получен от италианеца Алесандро Баталия в Генуа (Италия) през 1886 г. През следващите години изобретатели като Джон Ериксън и Франк Шуман разработиха устройства, които работят чрез концентриране на слънчевата енергия за напояване, охлаждане и движение.

Слънчев двигател, 1882 г.

Слънчевата централа на Франк Шуман в Кайро

През 1912 г. близо до Кайро е построена първата слънчева електроцентрала с мощност 45 kW с параболично-цилиндрични концентратори с обща площ 1200 м22който е бил използван в напоителната система. Във фокуса на всяко огледало бяха поставени тръби. Слънчевите лъчи бяха концентрирани върху повърхността им. Водата в тръбите се превръща в пара, която се събира в общ колектор и се подава към парната машина.

Като цяло трябва да се отбележи, че това беше период, когато вярата във фантастичната сила на фокусирането на огледалата завладя много умове. Романът на А. Толстой «Хиперболоидът на инженер Гарин» се превърна в своеобразно доказателство за тези надежди.

Всъщност в редица индустрии такива огледала се използват широко. На този принцип много страни са построили пещи за топене на високо чисти огнеупорни материали. Например, Франция има най -голямата фурна в света с мощност 1 MW.

А какво ще кажете за инсталации за генериране на електрическа енергия? Тук учените са се сблъскали с редица трудности. На първо място, цената на системите за фокусиране със сложни огледални повърхности се оказа много висока. Освен това, с увеличаването на размера на огледалата, разходите нарастват експоненциално.

Освен това създайте огледало с площ 500 — 600 m2 технически труден и можете да получите не повече от 50 kW мощност от него. Ясно е, че при тези условия единичната мощност на слънчевия приемник е значително ограничена.

И още едно важно съображение относно извитите огледални системи. По принцип доста големи системи могат да бъдат сглобени от отделни модули.

За текущи инсталации от този тип вижте тук: Примери за използване на слънчеви концентратори

Параболично корито, използвано в концентрираната слънчева електроцентрала в Локхарт близо до езерото Харпър, Калифорния (проект Mojave Solar)

Подобни електроцентрали са построени в много страни. В работата им обаче има сериозен недостатък — трудността при събирането на енергия. В края на краищата всяко огледало има свой собствен парогенератор във фокуса и всички те са разпръснати на голяма площ. Това означава, че парата трябва да се събира от много слънчеви приемници, което значително усложнява и увеличава цената на станцията.

Слънчева кула

Дори в предвоенните години инженер Н. В. Линицки изложи идеята за термична слънчева електроцентрала с централен слънчев приемник, разположен на висока кула (слънчева електроцентрала тип кула).

В края на 40 -те години на миналия век учените от Държавния научноизследователски институт по енергетика (ENIN) на името на V.I. Г. М. Кржижановски, Р. Р. Апариси, В. А. Баум и Б. А. Гарф разработиха научна концепция за създаването на такава станция. Те предложиха да изоставят сложните скъпи извити огледала, като ги заменят с най -простите плоски хелиостати.

Принципът на действие на слънчеви електроцентрали от кула е доста прост. Слънчевите лъчи се отразяват от множество хелиостати и се насочват към повърхността на централен приемник — генератор на слънчева пара, поставен на кулата.

В съответствие с положението на Слънцето в небето, ориентацията на хелиостати също се променя автоматично. В резултат на това през целия дневен час концентриран поток от слънчеви лъчи, отразени от стотици огледала, загрява парогенератора.

Разлика между проектите на SPP, използващи параболични концентратори, SPP с дискови концентратори и SPP от кула

Това решение се оказа толкова просто, колкото и оригинално. Но най -важното беше, че по принцип стана възможно създаването на големи слънчеви електроцентрали с единична мощност от стотици хиляди kW.

Оттогава концепцията за слънчева топлинна електроцентрала от тип кула получи световно признание. Само в края на 70 -те години такива станции с мощност от 0,25 до 10 MW са построени в САЩ, Франция, Испания, Италия и Япония.

Слънчева кула SES Themis в Източните Пиренеи във Франция

Според този съветски проект през 1985 г. в Крим, близо до град Щелкино, е построена експериментална слънчева електроцентрала от тип кула с мощност 5 MW (SES-5).

В SES-5 е използван отворен кръгъл слънчев парогенератор, чиито повърхности, както се казва, са отворени за всички ветрове. Следователно, при ниски температури на околната среда и високи скорости на вятъра, конвективните загуби се увеличават рязко и ефективността намалява значително.

Сега се смята, че приемниците от кухинен тип са много по-ефективни. Тук всички повърхности на парогенератора са затворени, поради което конвективните и радиационните загуби рязко намаляват.

Поради ниските параметри на парата (250 ° C и 4MPa), топлинната ефективност на SES-5 е само 0,32.

След 10 години експлоатация през 1995 г. SES-5 в Крим е затворен, а през 2005 г. кулата е предадена за скрап.

Модел SES-5 в Политехническия музей

Слънчевите електроцентрали от кула, които в момента работят, използват нови проекти и системи, които използват разтопени соли (40% калиев нитрат, 60% натриев нитрат) като работни течности. Тези работни течности имат по -висок топлинен капацитет от морската вода, което е използвано в първите експериментални инсталации.

Технологична схема на съвременна слънчева топлоелектрическа централа

Съвременна кула слънчева електроцентрала

Разбира се, слънчевите електроцентрали са нов и сложен бизнес и естествено имат достатъчно противници. Много от изразените от тях съмнения имат доста основателни причини, но човек трудно може да се съгласи с другите.

Например, често се казва, че са необходими големи земни площи за изграждането на слънчеви електроцентрали в кула. Не може обаче да се изключат областите, където се произвежда гориво за експлоатацията на традиционните електроцентрали.

Има и друг по -убедителен пример в полза на слънчеви електроцентрали с кула. Специфичната площ на земята, наводнена от изкуствени резервоари на водноелектрически централи, е 169 хектара / MW, което е многократно по -високо от показателите на такива слънчеви електроцентрали. Нещо повече, по време на строителството на водноелектрически централи, много ценни плодородни земи често се наводняват, а СЕС от кули се предполага да бъдат изградени в пустинни зони — на земи, които не са подходящи нито за земеделие, нито за изграждане на промишлени съоръжения.

Друга причина за критики към SPP на кулата е тяхната висока консумация на материали. Съществува дори съмнение дали SES ще успее да върне енергията, изразходвана за производството на оборудване и получаването на материали, използвани за неговото изграждане през прогнозния период на експлоатация.

Всъщност такива инсталации са с интензивни материали, но е от съществено значение, че практически всички материали, от които са построени съвременните слънчеви електроцентрали, не са в недостиг. Икономическите изчисления, извършени след пускането на първите модерни слънчеви електроцентрали в кула, показаха тяхната висока ефективност и доста благоприятни периоди на изплащане (вижте по -долу за примери за икономически успешни проекти).

Друг резерв за повишаване на ефективността на слънчевите електроцентрали с кула е създаването на хибридни централи, в които слънчевите инсталации ще работят заедно с конвенционалните топлинни инсталации на традиционно гориво.На комбинираната станция, в часовете на интензивна слънчева радиация, горивната инсталация намалява мощността си и „ускорява“ при облачно време и при пикови натоварвания.

Примери за съвременни слънчеви електроцентрали

През юни 2008 г.Bright Source Energy отвори център за развитие на слънчева енергия в израелската пустиня Негев.

На сайта, който се намира в индустриалния парк Ротема, са инсталирани над 1600 хелиостата, които следват слънцето и отразяват светлината върху 60 -метрова слънчева кула. След това концентрираната енергия се използва за загряване на котела в горната част на кулата до 550 ° C, генерирайки пара, която се изпраща до турбина, където се генерира електричество. Мощност на електроцентрала 5 MW.

През 2019 г. същата компания построи нова електроцентрала в пустинята Негев —Ашалим… Тойа Състои се от три секции с три различни технологии, централата съчетава три вида енергия: слънчева топлинна енергия, фотоволтаична енергия и природен газ (хибридна електроцентрала). Инсталираната мощност на соларната кула е 121 MW.

Станцията включва 50 600 компютърно контролирани хелиостата, достатъчни за захранване на 120 000 домове. Височината на кулата е 260 метра. Той беше най -високият в света, но наскоро бе надминат от 262,44 -метровата кула на слънчевата енергия в слънчевия парк Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

 Електроцентрала в пустинята Негев в Израел

През лятото на 2009 г. американската компания eSolar построи слънчева кула Сиера слънчева кула за електроцентрала с мощност 5 MW, разположена в Ланкастър, Калифорния, на около 80 км северно от Лос Анджелис.Електроцентралата обхваща площ от около 8 хектара в суха долина западно от пустинята Мохаве на 35 ° северна ширина.

Сиера слънчева кула

Към 9 септември 2009 г., въз основа на примера на съществуващи електроцентрали, беше изчислено, че разходите за изграждане на кула слънчева електроцентрала (CSP) са от 2,5 до 4 щатски долара на ват, докато горивото (слънчевата радиация) е безплатно . Така изграждането на такава електроцентрала с мощност 250 MW струва от 600 до 1000 милиона щатски долара. Това означава от 0,12 до 0,18 долара / кВтч.

Беше установено също, че новите централи за CSP могат да бъдат икономически конкурентни с изкопаемите горива.

Натаниел Булард, анализатор в Bloomberg New Energy Finance, изчисли, че цената на електроенергията, генерирана от слънчевата електроцентрала Iwanpa, стартирана през 2014 г., е по -ниска от електроенергията, генерирана от фотоволтаична електроцентрала, и е почти същото като електричеството от електроцентрала на природен газ.

Най -известната от слънчевите електроцентрали в момента е електроцентралата Gemasolar с мощност 19,9 MW, разположена западно от град Есия в Андалусия (Испания). Електроцентралата е открита от испанския крал Хуан Карлос на 4 октомври 2011 г.

Гемасоларна електроцентрала

Този проект, който получи безвъзмездна помощ от 5 милиона евро от Европейската комисия, използва технология, тествана от американската компания Solar Two:

• 2 493 хелиостата с обща площ 298 000 m2 използвайте стъкло с по -добра отразяваща способност, чийто опростен дизайн намалява производствените разходи с 45%.

• По -голяма система за съхранение на топлинна енергия с капацитет от 8 500 тона разтопени соли (нитрати), осигуряваща автономност от 15 часа (приблизително 250 MWh) при липса на слънчева светлина.

• Подобрен дизайн на помпата, който позволява изпомпването на соли директно от резервоарите за съхранение, без да е необходим картер.

• Система за генериране на пара, включваща принудителна рециркулация на парата.

• Парна турбина с по -високо налягане и по -висока ефективност.

• Опростена верига за циркулация на разтопена сол, намаляваща наполовина броя на необходимите клапани.

Електроцентралата (кула и хелиостати) обхваща обща площ от 190 хектара.

Слънчева кула SPP Gemasolar

Abengoa е построил Хи слънчев такъв в Южна Африка — електроцентрала с височина 205 метра и мощност 50 MW. Церемонията по откриването се състоя на 27 август 2013 г.

Хи слънчев такъв

Слънчева електрическа генерираща система Ivanpah — слънчева електроцентрала в пустинята Мохаве в Калифорния, на 64 километра югозападно от Лас Вегас, с мощност от 392 мегавата (MW). Електроцентралата е въведена в експлоатация на 13 февруари 2014 г.

Слънчева електрическа генерираща система Ivanpah

Годишното производство на този SPP обхваща потреблението на 140 000 домакинства. Инсталирани 173 500 огледала с хелиостат, фокусиращи слънчевата енергия върху парогенераторите, разположени на три централни слънчеви кули.

През март 2013 г. беше подписано споразумение с Bright Source Energy за изграждане на електроцентрала Пален в Калифорния, състоящ се от две кули от 230 m (по 250 MW всяка), въвеждане в експлоатация е насрочено за 2021 г.

Други действащи електроцентрали на слънчева кула: Solar Park (Дубай, 2013), Nur III (Мароко, 2014), Crescent Dunes (Невада, САЩ, 2016), SUPCON Delingha и Shouhang Dunhuang (Kathai, и двете 2018.), Gonghe, Luneng Haixi и Хами (Китай, цялата 2019 г.), Серо Доминадор (Чили, април 2021 г.).

Иновативно решение за слънчева енергия

Тъй като тази технология работи най -добре в райони с висока инсолация (слънчева радиация), експертите прогнозират, че най -големият ръст в броя на слънчевите електроцентрали с кула ще бъде на места като Африка, Мексико и югозападната част на САЩ.

Смята се също, че концентрираната слънчева енергия има сериозни перспективи и че може да осигури до 25% от световните енергийни нужди до 2050 г. В момента в света се разработват над 50 нови проекта от този тип електроцентрали.