Centrale solare termice turn, sisteme de concentrare a energiei solare

Soarele este o sursă de energie extrem de „curată”. Astăzi, în întreaga lume, lucrările privind utilizarea Soarelui se dezvoltă în mai multe direcții. În primul rând, se dezvoltă așa-numita industrie a energiei mici, care include în principal încălzirea clădirilor și furnizarea de căldură. Însă s-au făcut deja pași serioși în domeniul energiei pe scară largă — centralele solare sunt create pe baza fotoconversiei și conversiei termice. În acest articol, vă vom spune despre perspectivele stațiilor din a doua direcție.

Tehnologia energiei solare concentrate, cunoscută în întreaga lume ca CSP (Concentrated Solar Power), este un tip de centrală solară care utilizează oglinzi sau lentile pentru a concentra cantități mari de lumină solară într-o zonă mică.

CSP nu trebuie confundat cu fotovoltaica concentrată - cunoscută și sub denumirea de CPV (fotovoltaică concentrată). În CSP, lumina concentrată a soarelui este transformată în căldură, iar căldura este apoi transformată în electricitate.Pe de altă parte, în CPV, lumina concentrată a soarelui este transformată direct în electricitate prin intermediul efect fotoelectric.

Utilizarea industrială a concentratoarelor solare

Energie solara

Soarele trimite un curent puternic de energie radiantă în direcția pământului. Chiar dacă luăm în considerare că 2/3 din ea este reflectată și împrăștiată de atmosferă, totuși suprafața pământului primește 1018 kWh de energie în 12 luni, adică de 20.000 de ori mai mult decât consumă lumea într-un an.

Este firesc ca folosirea acestei surse inepuizabile de energie în scopuri practice a părut întotdeauna foarte tentantă. Cu toate acestea, timpul a trecut, omul în căutarea energiei a creat un motor termic, a blocat râurile, a divizat un atom și Soarele a continuat să aștepte în aripi.

De ce este atât de greu să-i controlezi energia? În primul rând, intensitatea radiației solare se modifică în timpul zilei, ceea ce este extrem de incomod pentru consum. Aceasta înseamnă că stația solară trebuie să aibă o instalație de baterie sau să funcționeze împreună cu alte surse. Dar acesta nu este încă cel mai mare dezavantaj. Mult mai rău, densitatea radiației solare la suprafața pământului este foarte scăzută.

Deci, în regiunile de sud ale Rusiei, este de numai 900 - 1000 W / m2... Acest lucru este suficient doar pentru a încălzi apa în cele mai simple colectoare la temperaturi de cel mult 80 - 90 ° C.

Este potrivit pentru alimentarea cu apă caldă și parțial pentru încălzire, dar în niciun caz pentru generarea de energie electrică. Aici sunt necesare temperaturi mult mai ridicate. Pentru a crește densitatea fluxului, este necesar să-l colectați dintr-o zonă mare și să o transformați din împrăștiat în concentrat.

Producția de energie cu sisteme de concentrare solară

Metodele de concentrare a energiei solare sunt cunoscute din cele mai vechi timpuri.S-a păstrat o legendă despre modul în care marele Arhimede, cu ajutorul oglinzilor concave de cupru lustruit, a ars flota romană care o asedia în secolul al III-lea î.Hr. NS. Siracuza. Și deși această legendă nu este confirmată de documentele istorice, însăși posibilitatea de a încălzi în focalizarea unei oglinzi parabolice orice substanță la temperaturi de 3500 - 4000 ° C este un fapt incontestabil.

Încercările de a folosi oglinzi parabolice pentru a genera energie utilă au început în a doua jumătate a secolului al XIX-lea. Lucrări deosebit de intense au fost efectuate în SUA, Anglia și Franța.

O oglindă parabolică experimentală pentru utilizarea energiei solare termice în Los Angeles, SUA (circa 1901).

În 1866, Augustin Mouchaud a folosit un cilindru parabolic pentru a genera abur în primul motor solar cu abur.

Centrala solară a lui A. Mouchaud, demonstrată la Expoziția Industrială Mondială de la Paris în 1882, a făcut o impresie uriașă asupra contemporanilor.

Primul brevet pentru un colector solar a fost obținut de italianul Alessandro Battaglia la Genova (Italia) în 1886. În anii următori, inventatori precum John Erickson și Frank Schumann au dezvoltat dispozitive care funcționează prin concentrarea energiei solare pentru irigare, răcire și mișcare.

Motor solar, 1882

Centrala solară a lui Frank Schumann din Cairo

În 1912, în apropiere de Cairo a fost construită prima centrală solară cu o capacitate de 45 kW cu concentratoare parabolico-cilindrice cu o suprafață totală de 1200 m22 care a fost folosită în sistemul de irigare. Tuburile au fost plasate în centrul fiecărei oglinzi. Razele soarelui erau concentrate pe suprafața lor.Apa din conducte se transformă în abur, care este colectat într-un colector comun și alimentat motorul cu abur.

În general, trebuie menționat că aceasta a fost o perioadă în care credința în puterea fantastică de focalizare a oglinzilor a pus stăpânire pe multe minți. Romanul lui A. Tolstoi „Hiperboloidul inginerului Garin” a devenit un fel de dovadă a acestor speranțe.

Într-adevăr, într-o serie de industrii, astfel de oglinzi sunt utilizate pe scară largă. Pe acest principiu, multe țări au construit cuptoare pentru topirea materialelor refractare de înaltă puritate. De exemplu, Franța are cel mai mare cuptor din lume cu o capacitate de 1 MW.

Și cum rămâne cu instalațiile de generare a energiei electrice? Aici oamenii de știință s-au confruntat cu o serie de dificultăți. În primul rând, costul sistemelor de focalizare cu suprafețe complexe de oglindă s-a dovedit a fi foarte mare. De asemenea, pe măsură ce dimensiunea oglinzilor crește, costul crește exponențial.

De asemenea, creați o oglindă cu o suprafață de 500 - 600 m2 dificilă din punct de vedere tehnic și nu puteți obține mai mult de 50 kW de putere din ea. Este clar că în aceste condiții puterea unitară a receptorului solar este semnificativ limitată.

Și încă o considerație importantă despre sistemele de oglinzi curbate. În principiu, sistemele destul de mari pot fi asamblate din module individuale.

Pentru instalațiile curente de acest tip vezi aici: Exemple de utilizare a concentratoarelor solare

Jgheab parabolic utilizat la uzina de energie solară concentrată Lockhart de lângă Harper Lake, California (Proiectul Mojave Solar)

Centrale similare au fost construite în multe țări. Cu toate acestea, există un dezavantaj serios în munca lor - dificultatea de a colecta energie.La urma urmei, fiecare oglindă are propriul său generator de vapori la focalizare și toate sunt răspândite pe o zonă mare. Aceasta înseamnă că aburul trebuie colectat de la multe receptoare solare, ceea ce complică foarte mult și crește costul stației.

Turnul solar

Chiar și în anii de dinainte de război, inginerul N. V. Linitsky a prezentat ideea unei centrale solare termice cu un receptor solar central situat pe un turn înalt (centrală solară de tip turn).

La sfârșitul anilor 1940, oamenii de știință de la Institutul de Stat de Cercetare a Energiei (ENIN) au numit după V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum și B. A. Garf au dezvoltat un concept științific pentru crearea unei astfel de stații. Ei au propus să renunțe la oglinzile curbe și costisitoare complexe, înlocuindu-le cu cele mai simple heliostate plate.

Principiul de funcționare a centralelor solare dintr-un turn este destul de simplu. Razele soarelui sunt reflectate de mai multe heliostate și direcționate către suprafața unui receptor central - un generator solar de abur plasat pe turn.

În conformitate cu poziția Soarelui pe cer, și orientarea heliostatelor se schimbă automat. Ca urmare, pe tot parcursul zilei, un flux concentrat de lumină solară, reflectată de sute de oglinzi, încălzește generatorul de abur.

Diferența dintre modelele SPP folosind concentratoare parabolice, SPP cu concentratoare cu disc și SPP dintr-un turn

Această soluție s-a dovedit a fi pe cât de simplă, pe atât de originală. Dar cel mai important lucru a fost că, în principiu, a devenit posibilă crearea unor centrale solare mari cu o putere unitară de sute de mii de kW.

De atunci, conceptul de centrală solară termică de tip turn a câștigat recunoaștere la nivel mondial. Abia la sfârșitul anilor 1970, astfel de stații cu o capacitate de 0,25 până la 10 MW au fost construite în SUA, Franța, Spania, Italia și Japonia.

Turnul solar SES Themis din Pirineii Orientali din Franța

Conform acestui proiect sovietic, în 1985 în Crimeea, lângă orașul Shtelkino, a fost construită o centrală solară experimentală de tip turn cu o capacitate de 5 MW (SES-5).

În SES-5, se folosește un generator solar de abur circular deschis, ale cărui suprafețe, după cum se spune, sunt deschise tuturor vânturilor. Prin urmare, la temperaturi ambientale scăzute și viteze mari ale vântului, pierderile convective cresc brusc, iar eficiența scade semnificativ.

Receptoarele de tip cavitate sunt acum considerate a fi mult mai eficiente. Aici, toate suprafețele generatorului de abur sunt închise, datorită cărora pierderile de convecție și radiații sunt reduse drastic.

Datorită parametrilor scăzuti de abur (250 °C și 4MPa), eficiența termică a SES-5 este de numai 0,32.

După 10 ani de funcționare, în 1995, SES-5 din Crimeea a fost închis, iar în 2005 turnul a fost predat la fier vechi.

Modelul SES-5 în Muzeul Politehnic

Centralele solare turn aflate în funcțiune în prezent folosesc noi modele și sisteme care folosesc săruri topite (40% azotat de potasiu, 60% azotat de sodiu) ca fluide de lucru. Aceste fluide de lucru au o capacitate termică mai mare decât apa de mare, care a fost folosită în primele instalații experimentale.

Schema tehnologică a unei centrale solare termice moderne

Centrală solară cu turn modern

Desigur, centralele solare sunt o afacere nouă și complicată și, în mod natural, au destui adversari. Multe dintre îndoielile pe care le exprimă au motive destul de întemeiate, dar cu greu se poate fi de acord cu ceilalți.

De exemplu, se spune adesea că sunt necesare suprafețe mari de teren pentru a construi centrale solare turn. Totuși, nu pot fi excluse zonele în care se produce combustibil pentru funcționarea centralelor tradiționale.

Există un alt caz mai convingător în favoarea centralelor solare turn. Suprafața specifică a terenului inundat de rezervoarele artificiale ale hidrocentralelor este de 169 hectare/MW, ceea ce este de multe ori mai mare decât indicatorii unor astfel de centrale solare. Mai mult, în timpul construcției hidrocentralelor, terenurile fertile foarte valoroase sunt adesea inundate, iar SPP-urile turn ar trebui să fie construite în zone deșertice - pe terenuri care nu sunt potrivite nici pentru agricultură, nici pentru construcția de instalații industriale.

Un alt motiv de critică la adresa SPP-urilor turn este consumul ridicat de material. Există chiar îndoială dacă SES va putea returna energia cheltuită pentru producția de echipamente și obținerea materialelor utilizate pentru construcția acestuia în perioada estimată de funcționare.

Într-adevăr, astfel de instalații necesită materiale intensive, dar este esențial ca practic toate materialele din care sunt construite centralele solare moderne să nu fie insuficiente.Calculele economice efectuate după lansarea primelor centrale solare moderne cu turn au arătat eficiența lor ridicată și perioadele de rambursare destul de favorabile (vezi mai jos exemple de proiecte de succes economic).

O altă rezervă pentru creșterea eficienței centralelor solare cu turn este crearea unor centrale hibride, în care centralele solare vor lucra împreună cu centrale termice convenționale de combustibil tradițional.La centrala combinată, în orele de radiație solară intensă, combustibilul instalația își reduce puterea și „accelerează” pe vreme înnorată și la sarcini de vârf.

Exemple de centrale solare moderne

În iunie 2008, Bright Source Energy a deschis un centru de dezvoltare a energiei solare în deșertul Negev din Israel.

Pe site se afla în parcul industrial Rotema, au fost instalate peste 1.600 de heliostate care urmăresc soarele și reflectă lumina pe un turn solar de 60 de metri. Energia concentrată este apoi folosită pentru a încălzi cazanul din vârful turnului la 550°C, generând abur care este trimis la o turbină unde este generată electricitate. Capacitate centrală 5 MW.

În 2019, aceeași companie a construit o nouă centrală electrică în deșertul Negev -Ashalim… Toya Constând din trei secțiuni cu trei tehnologii diferite, centrala combină trei tipuri de energie: energie solară termică, energie fotovoltaică și gaze naturale (centrală hibridă). Puterea instalată a turnului solar este de 121 MW.

Stația include 50.600 de heliostate controlate de computer, suficiente pentru a alimenta 120.000 de case. Înălțimea turnului este de 260 de metri.A fost cel mai înalt din lume, dar a fost depășit recent de turnul solar de 262,44 de metri din parcul solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

O centrală electrică în deșertul Negev din Israel

În vara lui 2009, compania americană eSolar a construit un turn solar Turnul Solar Sierra pentru o centrală de 5 MW situată în Lancaster, California, la aproximativ 80 km nord de Los Angeles.Centrala se întinde pe o suprafață de aproximativ 8 hectare într-o vale uscată la vest de deșertul Mojave la 35°N latitudine.

Turnul Solar Sierra

Începând cu 9 septembrie 2009, pe baza exemplului centralelor electrice existente, s-a estimat că costul construirii unei centrale solare turn (CSP) este de 2,5 până la 4 USD per watt, în timp ce combustibilul (radiația solară) este gratuit. . Astfel, construcția unei astfel de centrale electrice cu o capacitate de 250 MW costă de la 600 la 1000 de milioane de dolari SUA. Aceasta înseamnă de la 0,12 la 0,18 dolari / kWh.

Sa constatat, de asemenea, că noile centrale CSP pot fi competitive din punct de vedere economic cu combustibilii fosili.

Nathaniel Bullard, analist la Bloomberg New Energy Finance, a estimat că costul energiei electrice generate de centrala solară Iwanpa, lansată în 2014, este mai mic decât energia electrică generată de Centrală fotovoltaică, și este aproape la fel cu electricitatea dintr-o centrală electrică pe gaz natural.

Cea mai cunoscută dintre centralele solare în acest moment este centrala electrică Gemasolar cu o capacitate de 19,9 MW, situată la vest de orașul Esia din Andaluzia (Spania). Centrala electrică a fost inaugurată de regele Juan Carlos al Spaniei pe 4 octombrie 2011.

Centrală electrică Gemsolar

Acest proiect, care a primit un grant de 5 milioane de euro de la Comisia Europeană, folosește tehnologie testată de compania americană Solar Two:

• 2.493 de heliostate cu o suprafață totală de 298.000 m2 folosesc sticlă cu o reflectivitate mai bună, al cărei design simplificat reduce costurile de producție cu 45%.

• Un sistem de stocare a energiei termice mai mare, cu o capacitate de 8.500 de tone de săruri topite (nitrați), oferind o autonomie de 15 ore (aproximativ 250 MWh) în absența razelor solare.

• Design îmbunătățit al pompei, care permite sărurile să fie pompate direct din rezervoarele de stocare fără a fi nevoie de un bazin.

• Sistem de generare a aburului, inclusiv recirculare forțată a aburului.

• Turbină cu abur cu presiune mai mare și eficiență mai mare.

• Circuit simplificat de circulație a sării topite, reducând la jumătate numărul de supape necesare.

Centrala electrică (turn și heliostate) se întinde pe o suprafață totală de 190 de hectare.

Turnul solar SPP Gemasolar

Abengoa a construit Hei, unul însorit în Africa de Sud — o centrală electrică cu o înălțime de 205 metri și o capacitate de 50 MW. Ceremonia de deschidere a avut loc pe 27 august 2013.

Hei, unul însorit

Sistem de generare electrică solară Ivanpah — o centrală solară de 392 de megawați (MW) în deșertul Mojave din California, la 40 de mile sud-vest de Las Vegas. Centrala a fost pusă în funcțiune pe 13 februarie 2014.

Sistem de generare electrică solară Ivanpah

Producția anuală a acestui SPP acoperă consumul a 140.000 de gospodării. S-au instalat 173.500 de oglinzi heliostatice care concentrează energia solară pe generatoare de abur situate pe trei turnuri solare centrale.

În martie 2013, a fost semnat un acord cu Bright Source Energy pentru construirea unei centrale electrice Ars în California, constând din două turnuri de 230 m (250 MW fiecare), punerea în funcțiune programată pentru 2021.

Alte centrale electrice cu turn solar operaționale: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Maroc, 2014), Crescent Dunes (Nevada, SUA, 2016), SUPCON Delingha și Shouhang Dunhuang (Kathai, ambele 2018.), Gonghe, Luneng Haixi și Hami (China, toate 2019), Cerro Dominador (Chile, aprilie 2021).

O soluție inovatoare pentru energia solară

Deoarece această tehnologie funcționează cel mai bine în zonele cu insolație mare (radiație solară), experții prevăd că cea mai mare creștere a numărului de centrale solare turn va avea loc în locuri precum Africa, Mexic și sud-vestul Statelor Unite.

De asemenea, se crede că energia solară concentrată are perspective serioase și că poate asigura până la 25% din necesarul energetic mondial până în 2050. În prezent, în lume se dezvoltă peste 50 de noi proiecte de acest tip de centrale electrice.