Tornilämpövoimalaitokset, aurinkoenergian keskitysjärjestelmät

Aurinko on erittäin "puhtaan" energian lähde. Auringon käyttöä koskeva työ kehittyy nykyään moniin suuntiin kaikkialla maailmassa. Ensinnäkin kehittyy ns. pienvoimateollisuus, joka sisältää pääasiassa rakennusten lämmityksen ja lämmönjakelun. Mutta vakavia askelia on jo otettu suuren mittakaavan energian alalla - aurinkovoimaloita luodaan valokonversion ja lämpömuuntamisen perusteella. Tässä artikkelissa kerromme sinulle asemien näkymistä toisesta suunnasta.

Keskitetty aurinkovoimatekniikka, joka tunnetaan maailmanlaajuisesti nimellä CSP (Concentrated Solar Power), on eräänlainen aurinkovoimala, joka käyttää peilejä tai linssejä keskittääkseen suuren määrän auringonvaloa pienelle alueelle.

CSP:tä ei pidä sekoittaa tiivistettyyn aurinkosähköön, joka tunnetaan myös nimellä CPV (concentrated photovoltaics). CSP:ssä keskittynyt auringonvalo muunnetaan lämmöksi ja lämpö muunnetaan sitten sähköksi.Toisaalta CPV:ssä keskittynyt auringonvalo muunnetaan suoraan sähköksi valosähköinen ilmiö.

Aurinkokeskittimien teollinen käyttö

Aurinkoenergia

Aurinko lähettää voimakkaan säteilyenergiavirran maan suuntaan. Vaikka otettaisiin huomioon, että 2/3 siitä heijastuu ja hajottaa ilmakehän, maapallon pinta saa silti 1018 kWh energiaa 12 kuukaudessa, mikä on 20 000 kertaa enemmän kuin maailma kuluttaa vuodessa.

On luonnollista, että tämän ehtymättömän energialähteen käyttö käytännön tarkoituksiin on aina tuntunut erittäin houkuttelevalta. Aika kului kuitenkin, energiaa etsivä ihminen loi lämpökoneen, tukki joet, halkaisi atomin ja Aurinko odotti edelleen siivissä.

Miksi hänen energiansa hallinta on niin vaikeaa? Ensinnäkin auringon säteilyn voimakkuus muuttuu päivän aikana, mikä on erittäin epämukavaa kulutukseen. Tämä tarkoittaa, että aurinkovoimalassa on oltava akkuasennus tai se on toimittava yhdessä muiden lähteiden kanssa. Mutta tämä ei silti ole suurin haittapuoli. Paljon pahempaa on, että auringon säteilyn tiheys maan pinnalla on hyvin alhainen.

Joten Venäjän eteläisillä alueilla se on vain 900 - 1000 W / m2... Tämä riittää vain lämmittämään yksinkertaisimmissa keräilijöissä olevan veden lämpötilaan enintään 80 - 90 ° C.

Se soveltuu kuuman veden syöttöön ja osittain lämmitykseen, mutta ei missään tapauksessa sähköntuotantoon. Täällä tarvitaan paljon korkeampia lämpötiloja. Vuontiheyden lisäämiseksi on tarpeen kerätä se suurelta alueelta ja muuttaa se hajaantuneesta tiivistetyksi.

Energian tuotanto aurinkokeskitinjärjestelmillä

Aurinkoenergian keskittämismenetelmät ovat olleet tunnettuja muinaisista ajoista lähtien.On säilynyt legenda siitä, kuinka suuri Arkhimedes poltti sitä piirittäneen roomalaisen laivaston koverien kiillotettujen kuparipeilien avulla 3. vuosisadalla eKr. NS. Syracuse. Ja vaikka historialliset asiakirjat eivät vahvista tätä legendaa, mahdollisuus lämmittää mikä tahansa aine parabolisen peilin fokuksessa 3500–4000 °C:n lämpötiloihin on kiistaton tosiasia.

Yritykset käyttää parabolisia peilejä hyödyllisen energian tuottamiseen alkoivat 1800-luvun jälkipuoliskolla. Erityisen intensiivistä työtä tehtiin Yhdysvalloissa, Englannissa ja Ranskassa.

Kokeellinen parabolinen peili aurinkolämpöenergian käyttöön Los Angelesissa, USA:ssa (noin 1901).

Vuonna 1866 Augustin Mouchaud käytti parabolista sylinteriä tuottamaan höyryä ensimmäisessä aurinkohöyrykoneessa.

A. Mouchaudin aurinkovoimala, joka esiteltiin maailman teollisuusnäyttelyssä Pariisissa vuonna 1882, teki valtavan vaikutuksen aikalaisiin.

Ensimmäisen patentin aurinkokeräimelle sai italialainen Alessandro Battaglia Genovassa (Italia) vuonna 1886. Seuraavina vuosina keksijät, kuten John Erickson ja Frank Schumann, kehittivät laitteita, jotka toimivat keskittämällä aurinkoenergiaa kasteluun, jäähdytykseen ja liikkumiseen.

Aurinkomoottori, 1882

Frank Schumannin aurinkovoimala Kairossa

Vuonna 1912 Kairon lähelle rakennettiin ensimmäinen 45 kW:n aurinkovoimala, jossa oli parabolis-sylinterikeskitin, jonka kokonaispinta-ala oli 1200 m22 ja jota käytettiin kastelujärjestelmässä. Putket asetettiin kunkin peilin keskipisteeseen. Auringon säteet keskittyivät niiden pinnalle.Putkissa oleva vesi muuttuu höyryksi, joka kerätään yhteiseen keräilijään ja syötetään höyrykoneeseen.

Yleisesti ottaen on syytä huomata, että tämä oli ajanjakso, jolloin usko peilien fantastiseen tarkennusvoimaan valtasi monia mieliä. A. Tolstoin romaanista "Insinööri Garinin hyperboloidi" tuli eräänlainen todiste näistä toiveista.

Itse asiassa useilla teollisuudenaloilla tällaisia ​​peilejä käytetään laajalti. Tällä periaatteella monet maat ovat rakentaneet uuneja erittäin puhtaiden tulenkestävien materiaalien sulattamiseen. Esimerkiksi Ranskassa on maailman suurin uuni, jonka kapasiteetti on 1 MW.

Entä sähköenergian tuotantolaitteistot? Täällä tutkijat ovat kohdanneet useita vaikeuksia. Ensinnäkin monimutkaisten peilipintojen tarkennusjärjestelmien kustannukset osoittautuivat erittäin korkeiksi. Myös peilien koon kasvaessa kustannukset kasvavat eksponentiaalisesti.

Luo myös peili, jonka pinta-ala on 500-600 m2 teknisesti vaikea, ja saat siitä enintään 50 kW tehoa. On selvää, että näissä olosuhteissa aurinkosähkövastaanottimen yksikköteho on merkittävästi rajoitettu.

Ja vielä yksi tärkeä näkökohta kaarevien peilien järjestelmistä. Periaatteessa yksittäisistä moduuleista voidaan koota melko suuria järjestelmiä.

Katso tämän tyyppiset nykyiset asennukset täältä: Esimerkkejä aurinkokeskittimen käytöstä

Parabolinen kouru, jota käytetään Lockhartin tiivistetyssä aurinkovoimalassa lähellä Harper Lakea Kaliforniassa (Mojave Solar Project)

Vastaavia voimalaitoksia on rakennettu moniin maihin. Heidän työssään on kuitenkin vakava haittapuoli - vaikeus kerätä energiaa.Loppujen lopuksi jokaisella peilillä on oma höyrynkehittäjänsä fokuskohdassa, ja ne ovat kaikki levinneet suurelle alueelle. Tämä tarkoittaa, että höyry on kerättävä monista aurinkovastaanottimista, mikä vaikeuttaa suuresti ja lisää aseman kustannuksia.

Aurinkotorni

Jo sotaa edeltävinä vuosina insinööri N. V. Linitsky esitti ajatuksen lämpövoimalasta, jossa on korkeassa tornissa sijaitseva keskus aurinkoenergian vastaanotin (tornityyppinen aurinkovoimala).

1940-luvun lopulla V.I.:n mukaan nimetyn valtion energiatutkimuslaitoksen (ENIN) tutkijat. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum ja B. A. Garf kehittivät tieteellisen konseptin tällaisen aseman luomiseksi. He ehdottivat luopumista monimutkaisista kalliista kaarevista peileistä korvaamalla ne yksinkertaisimmilla litteillä heliostaateilla.

Aurinkovoimaloiden toimintaperiaate tornista on melko yksinkertainen. Auringon säteet heijastuvat useista heliostaateista ja suuntautuvat keskusvastaanottimen pintaan - torniin sijoitetun aurinkohöyrygeneraattorin.

Auringon sijainnin mukaan taivaalla myös heliostaattien suunta muuttuu automaattisesti. Tämän seurauksena tiivistetty auringonvalovirta, joka heijastuu sadoista peileistä, lämmittää höyrystimen koko päivän ajan.

Ero SPP-mallien välillä, joissa käytetään parabolisia rikastimia, SPP:tä levykeskittimillä ja SPP:tä tornista

Tämä ratkaisu osoittautui yhtä yksinkertaiseksi kuin se oli alkuperäinen. Mutta tärkeintä oli, että periaatteessa oli mahdollista luoda suuria aurinkovoimaloita, joiden yksikköteho on satoja tuhansia kW.

Siitä lähtien tornityyppinen aurinkolämpövoimalaitoskonsepti on saavuttanut maailmanlaajuista tunnustusta. Vasta 1970-luvun lopulla rakennettiin tällaisia ​​0,25–10 MW:n asemia Yhdysvaltoihin, Ranskaan, Espanjaan, Italiaan ja Japaniin.

SES Themis -aurinkotorni Pyrenees-Orientalesissa Ranskassa

Tämän Neuvostoliiton hankkeen mukaan vuonna 1985 Krimille, lähellä Shtelkinon kaupunkia, rakennettiin kokeellinen tornityyppinen aurinkovoimala, jonka kapasiteetti oli 5 MW (SES-5).

SES-5:ssä käytetään avointa pyöreää aurinkohöyrygeneraattoria, jonka pinnat, kuten sanotaan, ovat avoimia kaikille tuulille. Siksi alhaisissa ympäristön lämpötiloissa ja suurilla tuulennopeuksilla konvektiiviset häviöt kasvavat jyrkästi ja tehokkuus laskee merkittävästi.

Cavity-tyyppisten vastaanottimien uskotaan nyt olevan paljon tehokkaampia. Täällä kaikki höyrygeneraattorin pinnat ovat suljettuja, minkä vuoksi konvektiiviset ja säteilyhäviöt vähenevät jyrkästi.

Alhaisten höyryparametrien (250 °C ja 4MPa) ansiosta SES-5:n lämpöhyötysuhde on vain 0,32.

Kymmenen vuoden toiminnan jälkeen vuonna 1995 SES-5 Krimillä suljettiin, ja vuonna 2005 torni luovutettiin romuksi.

Malli SES-5 ammattikorkeakoulun museossa

Tällä hetkellä toiminnassa olevissa torni-aurinkovoimaloissa käytetään uusia rakenteita ja järjestelmiä, joissa käytetään sulaa suolaa (40 % kaliumnitraattia, 60 % natriumnitraattia) työnesteinä. Näillä käyttönesteillä on suurempi lämpökapasiteetti kuin merivedellä, jota käytettiin ensimmäisissä koeasennuksissa.

Nykyaikaisen aurinkolämpövoimalaitoksen teknologinen kaavio

Moderni torni aurinkovoimala

Aurinkovoimalat ovat tietysti uusi ja monimutkainen bisnes, ja niillä on luonnollisesti riittävästi vastustajia. Monilla heidän ilmaisemillaan epäilyillä on varsin hyvä syy, mutta tuskin voi olla samaa mieltä muiden kanssa.

Usein esimerkiksi sanotaan, että torniaurinkovoimaloiden rakentamiseen tarvitaan suuria maa-alueita. Alueita, joilla polttoainetta tuotetaan perinteisten voimalaitosten toimintaa varten, ei kuitenkaan voida sulkea pois.

On toinenkin vakuuttavampi tapaus torni aurinkovoimaloiden puolesta. Vesivoimalaitosten keinotekoisten altaiden tulviman maan ominaispinta-ala on 169 hehtaaria / MW, mikä on monta kertaa suurempi kuin tällaisten aurinkovoimaloiden indikaattorit. Lisäksi vesivoimaloiden rakentamisen aikana erittäin arvokkaita hedelmällisiä maita tulvitaan usein, ja tornien SPP:t on tarkoitus rakentaa aavikkoalueille - maille, jotka eivät sovellu maatalouteen tai teollisuuslaitosten rakentamiseen.

Toinen syy tornin SPP:n kritiikkiin on niiden korkea materiaalinkulutus. On jopa epäilystäkään siitä, pystyykö SES palauttamaan sen rakentamiseen käytettyjen laitteiden valmistukseen ja materiaalien hankintaan käytetyn energian arvioidun toiminta-ajan aikana.

Tällaiset asennukset ovat todellakin materiaalivaltaisia, mutta on tärkeää, että lähes kaikista materiaaleista, joista nykyaikaiset aurinkovoimalat rakennetaan, ei ole pulaa.Ensimmäisten modernien torniaurinkovoimaloiden käyttöönoton jälkeen tehdyt talouslaskelmat osoittivat niiden korkean hyötysuhteen ja varsin suotuisat takaisinmaksuajat (katso alla esimerkkejä taloudellisesti onnistuneista projekteista).

Toinen reservi tornillisten aurinkovoimaloiden tehokkuuden lisäämiseksi on hybridilaitosten luominen, joissa aurinkovoimalat toimivat yhdessä perinteisten perinteisten polttoaineiden lämpölaitosten kanssa. laitos vähentää tehoaan ja "kiihtyy" pilvisellä säällä ja huippukuormituksessa.

Esimerkkejä moderneista aurinkovoimaloista

Kesäkuussa 2008 Bright Source Energy avasi aurinkoenergian kehittämiskeskuksen Israelin Negevin autiomaassa.

Sivustolla se sijaitsee Roteman teollisuuspuistossa, yli 1 600 heliostaattia on asennettu, jotka seuraavat aurinkoa ja heijastavat valoa 60 metrin aurinkotorniin. Keskitetty energia käytetään sitten tornin huipulla olevan kattilan lämmittämiseen 550 °C:seen, jolloin syntyy höyryä, joka lähetetään turbiiniin, jossa tuotetaan sähköä. Voimalaitoksen teho 5 MW.

Vuonna 2019 sama yritys rakensi uuden voimalaitoksen Negevin autiomaahan —Ashalim… Toya Tehdas koostuu kolmesta osasta, joissa on kolme erilaista teknologiaa, ja siinä yhdistyvät kolme energiatyyppiä: aurinkolämpöenergia, aurinkosähköenergia ja maakaasu (hybridivoimala). Aurinkotornin asennettu kapasiteetti on 121 MW.

Asema sisältää 50 600 tietokoneohjattua heliostaattia, jotka riittävät 120 000 kodin tehoon. Tornin korkeus on 260 metriä.Se oli maailman korkein, mutta sen ohitti äskettäin Mohammed bin Rashid Al Maktoumin aurinkopuiston 262,44 metriä korkea aurinkotorni.

Voimalaitos Negevin autiomaassa Israelissa

Kesällä 2009 amerikkalainen yritys eSolar rakensi aurinkotornin Sierran aurinkotorni 5 MW:n voimalaitokselle, joka sijaitsee Lancasterissa, Kaliforniassa, noin 80 km pohjoiseen Los Angelesista. Voimalaitos kattaa noin 8 hehtaarin alueen kuivassa laaksossa Mojaven aavikon länsipuolella 35° pohjoista leveyttä.

Sierran aurinkotorni

9. syyskuuta 2009 lähtien olemassa olevien voimalaitosten esimerkin perusteella arvioitiin, että torni aurinkovoimalan (CSP) rakentamisen kustannukset ovat 2,5–4 dollaria wattia kohden, kun taas polttoaine (auringon säteily) on ilmaista. . Siten tällaisen 250 MW:n voimalaitoksen rakentaminen maksaa 600-1000 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Tämä tarkoittaa 0,12 - 0,18 dollaria / kWh.

Todettiin myös, että uudet CSP-laitokset voivat olla taloudellisesti kilpailukykyisiä fossiilisten polttoaineiden kanssa.

Bloomberg New Energy Financen analyytikko Nathaniel Bullard arvioi, että vuonna 2014 käyttöön otetun Iwanpan aurinkovoimalan tuottaman sähkön hinta on alhaisempi kuin sähkön tuottaman sähkön. Aurinkosähkövoimalaitos, ja se on melkein sama kuin maakaasuvoimalaitoksen sähkö.

Aurinkovoimaloista tunnetuin tällä hetkellä on voimalaitos Gemasolar jonka kapasiteetti on 19,9 MW, joka sijaitsee Esian kaupungin länsipuolella Andalusiassa (Espanja). Espanjan kuningas Juan Carlos vihki käyttöön voimalaitoksen 4. lokakuuta 2011.

Gemsolar voimalaitos

Tässä Euroopan komissiolta 5 miljoonan euron avustuksen saaneessa hankkeessa käytetään amerikkalaisen Solar Twon testaamaa teknologiaa:

• 2 493 heliostaattia, joiden kokonaispinta-ala on 298 000 m2, käyttävät paremman heijastavuuden omaavaa lasia, jonka yksinkertaistettu muotoilu vähentää tuotantokustannuksia 45 %.

• Suurempi lämpöenergian varastointijärjestelmä, jonka kapasiteetti on 8 500 tonnia sulaa suolaa (nitraatteja), joka tarjoaa 15 tunnin (noin 250 MWh) autonomian ilman auringonvaloa.

• Parannettu pumppurakenne, joka mahdollistaa suolojen pumppaamisen suoraan varastosäiliöistä ilman säiliötä.

• Höyrynkehitysjärjestelmä, joka sisältää pakotetun höyryn kierrätyksen.

• Höyryturbiini korkeammalla paineella ja tehokkaammalla.

• Yksinkertaistettu sulan suolan kiertopiiri, joka puolittaa tarvittavien venttiilien määrän.

Voimalaitoksen (torni ja heliostaatit) pinta-ala on yhteensä 190 hehtaaria.

SPP Gemasolar aurinkotorni

Abengoa on rakentanut Hei aurinkoinen Etelä-Afrikassa - voimalaitos, jonka korkeus on 205 metriä ja kapasiteetti 50 MW. Avajaiset pidettiin 27.8.2013.

Hei aurinkoinen

Ivanpahin aurinkosähköjärjestelmä — 392 megawatin (MW) aurinkovoimala Kalifornian Mojaven autiomaassa, 40 mailia lounaaseen Las Vegasista. Voimalaitos otettiin käyttöön 13.2.2014.

Ivanpahin aurinkosähköjärjestelmä

Tämän SPP:n vuosituotanto kattaa 140 000 kotitalouden kulutuksen. Asennettu 173 500 heliostaattipeiliä, jotka keskittävät aurinkoenergian kolmessa keskeisessä aurinkotornissa sijaitseviin höyrygeneraattoreihin.

Maaliskuussa 2013 allekirjoitettiin sopimus Bright Source Energyn kanssa voimalaitoksen rakentamisesta Poltettu Kaliforniassa, joka koostuu kahdesta 230 m tornista (kumpikin 250 MW), käyttöönotto on suunniteltu vuodelle 2021.

Muut käytössä olevat aurinkotornivoimalat: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marokko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha ja Shouhang Dunhuang (Kathai, molemmat 2018), Gonghe, Luneng Haixi ja Hami (Kiina, kaikki 2019), Cerro Dominador (Chile, huhtikuu 2021).

Innovatiivinen ratkaisu aurinkoenergiaan

Koska tämä tekniikka toimii parhaiten alueilla, joilla on korkea säteily (auringon säteily), asiantuntijat ennustavat, että torniaurinkovoimaloiden määrä kasvaa eniten Afrikassa, Meksikossa ja Yhdysvaltojen lounaisosissa.

Keskitetyllä aurinkoenergialla uskotaan myös olevan vakavia näkymiä ja että se voi kattaa jopa 25 % maailman energiantarpeesta vuoteen 2050 mennessä. Tällä hetkellä maailmassa kehitetään yli 50 uutta tämäntyyppisten voimalaitosten projektia.