Torony termikus naperőművek, napenergia koncentráló rendszerek

A nap rendkívül "tiszta" energia forrása. Napjainkban az egész világon sokfelé fejlődik a Nap felhasználásával kapcsolatos munka. Mindenekelőtt az úgynevezett kisenergia-ipar fejlődik, amely elsősorban az épületek fűtését és hőellátását foglalja magában. De a nagyüzemi energia területén már komoly lépések történtek – fotokonverzió és termikus konverzió alapján készülnek naperőművek. Ebben a cikkben az állomások kilátásairól fogunk beszélni a második irányból.

A koncentrált napenergia technológia, amelyet világszerte CSP (Concentrated Solar Power) néven ismernek, egy olyan típusú naperőmű, amely tükrök vagy lencsék segítségével koncentrálja a nagy mennyiségű napfényt egy kis területre.

A CSP-t nem szabad összetéveszteni a koncentrált fotovoltaikával – más néven CPV-vel (koncentrált fotovoltaikával). A CSP-ben a koncentrált napfény hővé, majd a hő elektromos árammá alakul.Másrészt a CPV-ben a koncentrált napfény közvetlenül elektromos árammá alakul át fotoelektromos hatás.

Napelemes koncentrátorok ipari felhasználása

Napenergia

A Nap erőteljes sugárzó energiaáramot küld a Föld irányába. Még ha figyelembe vesszük is, hogy ennek 2/3-át a légkör visszaveri és szórja, akkor is a földfelszín 1018 kWh energiát kap 12 hónap alatt, ami 20 000-szer több, mint amennyit a világ egy év alatt fogyaszt.

Természetes, hogy ennek a kimeríthetetlen energiaforrásnak a gyakorlati felhasználása mindig is nagyon csábítónak tűnt. Az idő azonban telt, az energiát kereső ember hőmotort hozott létre, elzárta a folyókat, kettéhasított egy atomot, és a Nap tovább várakozott a szárnyakban.

Miért olyan nehéz kontrollálni az energiáját? Először is, a napsugárzás intenzitása napközben változik, ami rendkívül kényelmetlen a fogyasztás szempontjából. Ez azt jelenti, hogy a szolárállomásnak akkumulátorral kell rendelkeznie, vagy más forrásokkal együtt kell működnie. De még mindig nem ez a legnagyobb hátrány. Sokkal rosszabb, hogy a napsugárzás sűrűsége a Föld felszínén nagyon alacsony.

Tehát Oroszország déli régióiban ez csak 900–1000 W / m2... Ez csak a legegyszerűbb kollektorok vízének 80–90 ° C-nál nem magasabb hőmérsékletre való felmelegítésére elegendő.

Alkalmas melegvíz ellátásra és részben fűtésre, de semmi esetre sem áramtermelésre. Itt sokkal magasabb hőmérsékletre van szükség. A fluxussűrűség növeléséhez nagy területről kell összegyűjteni és szórtról koncentrálttá alakítani.

Energiatermelés napelemes koncentráló rendszerekkel

A napenergia koncentrálásának módszerei ősidők óta ismertek.Fenntartott egy legenda arról, hogy a nagy Arkhimédész homorú csiszolt réztükrök segítségével égette el az őt ostromló római flottát a Kr.e. 3. században. NS. Siracusa. És bár ezt a legendát történelmi dokumentumok nem erősítik meg, az a lehetőség, hogy egy parabolatükör fókuszában bármilyen anyagot 3500–4000 ° C hőmérsékletre melegítsünk, vitathatatlan tény.

A 19. század második felében kezdődtek a kísérletek parabolatükrök felhasználásával hasznos energia előállítására. Különösen intenzív munka folyt az USA-ban, Angliában és Franciaországban.

Kísérleti parabolatükör naphőenergia felhasználására Los Angelesben, USA-ban (1901 körül).

1866-ban Augustin Mouchaud parabola hengert használt gőz előállítására az első napenergia gőzgépben.

A. Mouchaud napelemes erőműve, amelyet az 1882-es párizsi ipari világkiállításon mutattak be, óriási benyomást tett a kortársakra.

A napkollektor első szabadalmát az olasz Alessandro Battaglia szerezte meg Genovában (Olaszország) 1886-ban. A következő években olyan feltalálók, mint John Erickson és Frank Schumann olyan eszközöket fejlesztettek ki, amelyek a napenergiát öntözésre, hűtésre és mozgásra koncentrálják.

Napelemes motor, 1882

Frank Schumann napelemes üzeme Kairóban

1912-ben Kairó közelében megépült az első 45 kW teljesítményű naperőmű 1200 m22 összterületű parabola-hengeres koncentrátorokkal, amelyeket az öntözőrendszerben használtak. Minden tükör fókuszába csöveket helyeztek. A nap sugarai a felszínükön összpontosultak.A csövekben lévő víz gőzzé alakul, amelyet egy közös kollektorba gyűjtenek, és a gőzgépbe táplálják.

Általánosságban meg kell jegyezni, hogy ez egy olyan időszak volt, amikor a tükrök fantasztikus fókuszáló erejébe vetett hit sok embert megfogott. A. Tolsztoj "Garin mérnök hiperboloidja" című regénye e remények egyfajta bizonyítéka lett.

Valójában számos iparágban széles körben használják az ilyen tükröket. Ezen az elven sok országban építettek kemencéket nagy tisztaságú tűzálló anyagok olvasztására. Például Franciaországban van a világ legnagyobb sütője, 1 MW kapacitással.

És mi a helyzet az elektromos energiát előállító létesítményekkel? Itt a tudósok számos nehézséggel szembesültek. Először is, az összetett tükörfelületű fókuszrendszerek költsége nagyon magasnak bizonyult. Ezenkívül a tükrök méretének növekedésével a költségek exponenciálisan nőnek.

Ezenkívül hozzon létre egy 500-600 m2 területű tükröt, amely műszakilag nehéz, és legfeljebb 50 kW teljesítményt kaphat. Nyilvánvaló, hogy ilyen körülmények között a szoláris vevőegység teljesítménye jelentősen korlátozott.

És még egy fontos szempont a hajlított tükörrendszerekkel kapcsolatban. Elvileg elég nagy rendszerek is összeállíthatók az egyes modulokból.

Az ilyen típusú jelenlegi telepítéseket itt találja: Példák szoláris koncentrátorok használatára

Parabolikus vályú, amelyet a kaliforniai Harper Lake közelében lévő Lockhart koncentrált naperőműben használnak (Mojave Solar Project)

Sok országban építettek hasonló erőműveket. Munkájuknak azonban van egy komoly hátránya - az energiagyűjtés nehézsége.Végül is minden tükörnek saját gőzgenerátora van a fókuszban, és mindegyik nagy területen terül el. Ez azt jelenti, hogy a gőzt sok napkollektorból kell összegyűjteni, ami nagymértékben bonyolítja és megnöveli az állomás költségeit.

Napelemes torony

Még a háború előtti években N. V. Linitsky mérnök terjesztette elő egy termikus naperőmű ötletét egy magas toronyban elhelyezett központi napelem vevővel (torony típusú naperőmű).

Az 1940-es évek végén az Állami Energiakutató Intézet (ENIN) tudósai V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum és B. A. Garf tudományos koncepciót dolgozott ki egy ilyen állomás létrehozására. Azt javasolták, hogy hagyjanak fel az összetett drága hajlított tükrökkel, és cseréljék le őket a legegyszerűbb lapos heliosztátokra.

A napelemes erőművek toronyból történő működésének elve meglehetősen egyszerű. A napsugarakat több heliosztát veri vissza, és egy központi vevő – a toronyban elhelyezett szoláris gőzgenerátor – felületére irányítja.

A Nap égboltbeli helyzetének megfelelően a heliosztátok tájolása is automatikusan változik. Ennek eredményeként a nap folyamán egy koncentrált napfénysugár, amelyet több száz tükör tükröz vissza, felmelegíti a gőzfejlesztőt.

Különbség a parabolikus koncentrátorokat használó SPP, a tárcsás koncentrátoros SPP és a toronyból származó SPP között

Ez a megoldás ugyanolyan egyszerűnek bizonyult, mint az eredeti. De a legfontosabb az volt, hogy elvileg lehetővé vált nagy, több százezer kW egységteljesítményű naperőművek létrehozása.

Azóta a torony típusú napelemes hőerőmű koncepció világszerte elismertségre tett szert. Csak az 1970-es évek végén épültek ilyen 0,25-10 MW teljesítményű állomások az USA-ban, Franciaországban, Spanyolországban, Olaszországban és Japánban.

SES Themis napelemes torony a Pireneus-Orientalesben, Franciaországban

E szovjet projekt szerint 1985-ben a Krím-félszigeten, Shtelkino város közelében egy 5 MW (SES-5) kapacitású kísérleti torony típusú naperőművet építettek.

A SES-5-ben nyitott kör alakú napenergiával működő gőzgenerátort használnak, amelynek felülete, mint mondják, minden szél számára nyitott. Ezért alacsony környezeti hőmérséklet és nagy szélsebesség esetén a konvektív veszteségek meredeken nőnek, és a hatékonyság jelentősen csökken.

Az üreges típusú vevőkészülékekről ma már sokkal hatékonyabbnak tartják. Itt a gőzfejlesztő minden felülete zárva van, ami miatt a konvektív és a sugárzási veszteségek élesen csökkennek.

Az alacsony gőzparaméterek (250 °C és 4MPa) miatt a SES-5 termikus hatásfoka mindössze 0,32.

10 éves működés után 1995-ben a krími SES-5-öt bezárták, és 2005-ben a tornyot selejtezésre adták át.

SES-5 modell a Műszaki Múzeumban

A jelenleg üzemelő tornyos naperőművek új kialakításokat és rendszereket használnak, amelyek olvadt sókat (40% kálium-nitrát, 60% nátrium-nitrát) használnak munkafolyadékként. Ezeknek a munkafolyadékoknak nagyobb a hőkapacitása, mint a tengervíznél, amelyet az első kísérleti berendezésekben használtak.

Egy modern napelemes hőerőmű technológiai diagramja

Modern torony naperőmű

Természetesen a naperőművek új és bonyolult üzlet, és természetesen van elég ellenfele is. Sok kételyüknek elég jó oka van, de aligha lehet egyetérteni másokkal.

Gyakran mondják például, hogy nagy földterületekre van szükség a napelemtornyos erőművek építéséhez. Nem zárhatók ki azonban azok a területek, ahol a hagyományos erőművek üzemeltetéséhez tüzelőanyagot állítanak elő.

Van még egy meggyőzőbb eset a napelemes toronyerőművek mellett. A vízerőművek mesterséges tározói által elárasztott földterület fajlagos területe 169 hektár / MW, ami sokszorosa az ilyen naperőművek mutatóinak. Sőt, a vízerőművek építése során gyakran nagyon értékes termőföldek kerülnek víz alá, és sivatagi területeken - olyan területeken -, amelyek sem mezőgazdaságra, sem ipari létesítmények építésére nem alkalmasak, tornyos SPP-ket kell építeni.

A torony SPP-k kritikájának másik oka a magas anyagfelhasználásuk. Még az is kétséges, hogy a SES a becsült működési idő alatt képes lesz-e megtéríteni a berendezések gyártására és az építéséhez felhasznált anyagok beszerzésére fordított energiát.

Valójában az ilyen létesítmények anyagigényesek, de elengedhetetlen, hogy gyakorlatilag minden olyan anyag, amelyből a modern naperőművek épülnek, ne legyen hiány.Az első korszerű napelemtornyos erőművek üzembe helyezése után végzett gazdaságossági számítások kimutatták azok nagy hatásfokát és meglehetősen kedvező megtérülési idejét (lásd alább a gazdaságilag sikeres projektekre vonatkozó példákat).

A toronnyal rendelkező naperőművek hatásfokának növelésének további tartaléka a hibrid erőművek létrehozása, amelyekben a napelemek a hagyományos tüzelőanyagú hagyományos hőerőművekkel működnek együtt. Az üzem csökkenti teljesítményét és "felgyorsul" felhős időben és csúcsterheléskor.

Példák a modern naperőművekre

2008 júniusában a Bright Source Energy napenergia-fejlesztési központot nyitott az izraeli Negev sivatagban.

Az oldalon található a Rotema ipari parkban, több mint 1600 heliosztátot telepítettek, amelyek követik a napot, és egy 60 méteres napelemtoronyra verik vissza a fényt. A koncentrált energiát ezután a torony tetején lévő kazán 550 °C-ra történő felmelegítésére használják fel, és gőzt állítanak elő, amelyet egy turbinába küldenek, ahol elektromos áramot állítanak elő. Erőmű teljesítménye 5 MW.

2019-ben ugyanez a cég új erőművet épített a Negev-sivatagban –Ashalim… Toya A három részből álló, három különböző technológiát alkalmazó erőmű három energiafajtát egyesít: napenergiát, fotovoltaikus energiát és földgázt (hibrid erőmű). A napelemes torony beépített teljesítménye 121 MW.

Az állomás 50 600 számítógéppel vezérelt heliosztátot tartalmaz, amelyek 120 000 otthon táplálására elegendőek. A torony magassága 260 méter.Ez volt a legmagasabb a világon, de a közelmúltban felülmúlta a Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park 262,44 méteres napelemtornya.

Erőmű az izraeli Negev sivatagban

2009 nyarán az amerikai eSolar cég napelem tornyot épített Sierra naptorony egy 5 MW-os erőműre a kaliforniai Lancasterben, Los Angelestől kb. 80 km-re északra.Az erőmű körülbelül 8 hektáros területet fed le egy száraz völgyben a Mojave-sivatagtól nyugatra, az északi szélesség 35. fokán.

Sierra naptorony

2009. szeptember 9-én a meglévő erőművek példája alapján a becslések szerint a napelemes toronyerőmű (CSP) építési költsége wattonként 2,5–4 USD, míg az üzemanyag (napsugárzás) ingyenes. . Így egy ilyen, 250 MW teljesítményű erőmű építése 600-1000 millió dollárba kerül. Ez 0,12-0,18 dollár / kWh-t jelent.

Azt is megállapították, hogy az új CSP-üzemek gazdaságilag versenyképesek lehetnek a fosszilis tüzelőanyagokkal.

Nathaniel Bullard, a Bloomberg New Energy Finance elemzője úgy becsülte, hogy a 2014-ben elindított iwanpai naperőmű által termelt villamos energia költsége alacsonyabb, mint az általa termelt áram. Fotovoltaikus erőmű, és szinte megegyezik a földgázerőműből származó elektromossággal.

A napelemes erőművek közül jelenleg az erőmű a leghíresebb Gemasolar 19,9 MW kapacitással, Esia városától nyugatra található Andalúziában (Spanyolország). Az erőművet Juan Carlos spanyol király avatta fel 2011. október 4-én.

Gemsolar erőmű

Ez a projekt, amely 5 millió eurós támogatást kapott az Európai Bizottságtól, az amerikai Solar Two cég által tesztelt technológiát alkalmazza:

• 2493 heliosztát 298 000 m2 összterülettel jobb fényvisszaverő képességű üveget használ, amelynek egyszerűsített kialakítása 45%-kal csökkenti a gyártási költségeket.

• Nagyobb, 8500 tonna olvadt só (nitrát) kapacitású hőenergia-tároló rendszer, amely napfény hiányában 15 órás (kb. 250 MWh) autonómiát biztosít.

• Továbbfejlesztett szivattyúkialakítás, amely lehetővé teszi a sók közvetlenül a tárolótartályokból történő szivattyúzását olajteknő használata nélkül.

• Gőzfejlesztő rendszer, beleértve a gőz kényszerkeringtetését.

• Gőzturbina nagyobb nyomással és nagyobb hatásfokkal.

• Egyszerűsített olvadt só keringető kör, felére csökkenti a szükséges szelepek számát.

Az erőmű (torony és heliosztát) összterülete 190 hektár.

SPP Gemasolar Solar Tower

Abengoa épített Szia napfényes Dél-Afrikában egy 205 méter magas és 50 MW teljesítményű erőmű. A megnyitó ünnepségre 2013. augusztus 27-én került sor.

Szia napfényes

Ivanpah napelemes villamosenergia-termelő rendszer — egy 392 megawattos (MW) napelemes erőmű a kaliforniai Mojave-sivatagban, Las Vegastól 40 mérföldre délnyugatra. Az erőművet 2014. február 13-án helyezték üzembe.

Ivanpah napelemes villamosenergia-termelő rendszer

Az SPP éves termelése 140 000 háztartás fogyasztását fedi le. 173 500 heliosztát tükröt telepítettek, amelyek a napenergiát három központi napelemtornyon elhelyezett gőzfejlesztőkre fókuszálják.

2013 márciusában megállapodást írtak alá a Bright Source Energy vállalattal egy erőmű megépítéséről Megégett Kaliforniában, amely két 230 m-es toronyból áll (egyenként 250 MW), üzembe helyezését 2021-re tervezik.

További működő napelemes erőművek: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marokkó, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha és Shouhang Dunhuang (Kathai, mindkettő 2018), Gonghe, Luneng Haixi és Hami (Kína, mind 2019), Cerro Dominador (Chile, 2021. április).

Innovatív megoldás a napenergiára

Mivel ez a technológia azokon a területeken működik a legjobban, ahol magas a besugárzás (napsugárzás), a szakértők azt jósolják, hogy a napelemtornyos erőművek számának legnagyobb növekedése olyan helyeken fog bekövetkezni, mint Afrikában, Mexikóban és az Egyesült Államok délnyugati részén.

Azt is gondolják, hogy a koncentrált napenergia komoly kilátásokkal rendelkezik, és 2050-re a világ energiaszükségletének akár 25%-át is képes biztosítani. Jelenleg több mint 50 új ilyen típusú erőmű projektet fejlesztenek ki a világon.