Tower thermal solar power plants, solar power concentrating system

Ang araw ay pinagmumulan ng sobrang "malinis" na enerhiya. Ngayon, sa buong mundo, ang trabaho sa paggamit ng Araw ay umuunlad sa maraming direksyon. Una sa lahat, ang tinatawag na maliit na industriya ng kuryente ay umuunlad, na higit sa lahat ay kinabibilangan ng pag-init ng gusali at supply ng init. Ngunit ang mga seryosong hakbang ay nagawa na sa larangan ng malakihang enerhiya — ang mga solar power plant ay nilikha batay sa photoconversion at thermal conversion. Sa artikulong ito, sasabihin namin sa iyo ang tungkol sa mga prospect ng mga istasyon mula sa pangalawang direksyon.

Ang teknolohiyang Concentrated Solar Power, na kilala sa buong mundo bilang CSP (Concentrated Solar Power), ay isang uri ng solar power plant na gumagamit ng mga salamin o lente upang ituon ang malaking halaga ng sikat ng araw sa isang maliit na lugar.

Ang CSP ay hindi dapat malito sa puro photovoltaics — kilala rin bilang CPV (concentrated photovoltaics). Sa CSP, ang puro sikat ng araw ay na-convert sa init, at ang init ay na-convert sa kuryente.Sa kabilang banda, sa CPV, ang puro sikat ng araw ay direktang ginagawang kuryente sa pamamagitan ng epekto ng photoelectric.

Pang-industriya na paggamit ng mga solar concentrator

Enerhiyang solar

Ang araw ay nagpapadala ng isang malakas na daloy ng nagniningning na enerhiya sa direksyon ng mundo. Kahit na isaalang-alang natin na ang 2/3 nito ay sinasalamin at nakakalat ng atmospera, ang ibabaw ng mundo ay tumatanggap pa rin ng 1018 kWh ng enerhiya sa loob ng 12 buwan, na 20,000 beses na mas mataas kaysa sa natupok ng mundo sa isang taon.

Ito ay natural na ang paggamit ng hindi mauubos na pinagmumulan ng enerhiya para sa mga praktikal na layunin ay palaging tila napaka-kaakit-akit. Gayunpaman, lumipas ang oras, ang taong naghahanap ng enerhiya ay lumikha ng isang makina ng init, hinarangan ang mga ilog, nahati ang isang atom at ang Araw ay patuloy na naghihintay sa mga pakpak.

Bakit napakahirap kontrolin ang kanyang enerhiya? Una, ang intensity ng solar radiation ay nagbabago sa araw, na lubhang hindi maginhawa para sa pagkonsumo. Nangangahulugan ito na ang solar station ay dapat na may instalasyon ng baterya o gumagana kasama ng iba pang mga mapagkukunan. Ngunit hindi pa rin ito ang pinakamalaking sagabal. Higit na masama, ang density ng solar radiation sa ibabaw ng lupa ay napakababa.

Kaya sa katimugang mga rehiyon ng Russia, ito ay 900 — 1000 W / m2 lamang... Ito ay sapat lamang upang mapainit ang tubig sa pinakasimpleng mga kolektor sa temperatura na hindi hihigit sa 80 — 90 ° C.

Ito ay angkop para sa mainit na supply ng tubig at bahagyang para sa pagpainit, ngunit sa walang kaso para sa pagbuo ng kuryente. Maraming mas mataas na temperatura ang kailangan dito. Upang madagdagan ang density ng pagkilos ng bagay, kinakailangan upang kolektahin ito mula sa isang malaking lugar at ibahin ang anyo nito mula sa nakakalat hanggang sa puro.

Produksyon ng enerhiya na may mga solar concentrating system

Ang mga paraan ng pag-concentrate ng solar energy ay kilala mula pa noong sinaunang panahon.Ang isang alamat ay napanatili tungkol sa kung paano sinunog ng dakilang Archimedes, sa tulong ng malukong pinakintab na tansong salamin, ang armada ng mga Romano na kumukubkob dito noong ika-3 siglo BC. NS. Syracuse. At kahit na ang alamat na ito ay hindi kinumpirma ng mga makasaysayang dokumento, ang mismong posibilidad ng pag-init sa pokus ng isang parabolic mirror ang anumang sangkap sa mga temperatura na 3500 - 4000 ° C ay isang hindi mapag-aalinlanganang katotohanan.

Ang mga pagtatangka na gumamit ng mga parabolic mirror upang makabuo ng kapaki-pakinabang na enerhiya ay nagsimula noong ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo. Ang partikular na masinsinang gawain ay isinagawa sa USA, England at France.

Isang pang-eksperimentong parabolic mirror para sa paggamit ng solar thermal energy sa Los Angeles, USA (circa 1901).

Noong 1866, gumamit si Augustin Mouchaud ng parabolic cylinder upang makabuo ng singaw sa unang solar steam engine.

Ang solar power plant ng A. Mouchaud, na ipinakita sa World Industrial Exhibition sa Paris noong 1882, ay gumawa ng malaking impresyon sa mga kontemporaryo.

Ang unang patent para sa isang solar collector ay nakuha ng Italian na si Alessandro Battaglia sa Genoa (Italy) noong 1886. Sa mga sumunod na taon, ang mga imbentor tulad nina John Erickson at Frank Schumann ay nakabuo ng mga device na gumagana sa pamamagitan ng pag-concentrate ng solar energy para sa irigasyon, paglamig at paggalaw.

Solar Engine, 1882

Ang solar plant ni Frank Schumann sa Cairo

Noong 1912, ang unang solar power plant na may kapasidad na 45 kW ay itinayo malapit sa Cairo na may parabolic-cylindrical concentrators na may kabuuang lugar na 1200 m22 na ginamit sa sistema ng irigasyon. Ang mga tubo ay inilagay sa pokus ng bawat salamin. Ang mga sinag ng araw ay puro sa kanilang ibabaw.Ang tubig sa mga tubo ay nagiging singaw, na kinokolekta sa isang karaniwang kolektor at pinapakain sa makina ng singaw.

Sa pangkalahatan, dapat tandaan na ito ay isang panahon kung saan ang paniniwala sa kamangha-manghang kapangyarihan ng pagtutok ng mga salamin ay humawak sa maraming isipan. A. Ang nobela ni Tolstoy na "The Hyperboloid of Engineer Garin" ay naging isang uri ng patunay ng mga pag-asang ito.

Sa katunayan, sa isang bilang ng mga industriya, ang mga naturang salamin ay malawakang ginagamit. Sa prinsipyong ito, maraming mga bansa ang nagtayo ng mga hurno para sa pagtunaw ng mataas na kadalisayan na mga refractory na materyales. Halimbawa, ang France ang may pinakamalaking oven sa mundo na may kapasidad na 1 MW.

At ano ang tungkol sa mga pag-install para sa pagbuo ng elektrikal na enerhiya? Narito ang mga siyentipiko ay nahaharap sa isang bilang ng mga paghihirap. Una sa lahat, ang halaga ng mga sistema ng pagtutok na may kumplikadong mga ibabaw ng salamin ay naging napakataas. Gayundin, habang lumalaki ang laki ng mga salamin, ang gastos ay tumataas nang husto.

Gayundin, lumikha ng isang salamin na may isang lugar na 500 - 600 m2 na teknikal na mahirap, at maaari kang makakuha ng hindi hihigit sa 50 kW ng kapangyarihan mula dito. Malinaw na sa ilalim ng mga kundisyong ito ang kapangyarihan ng yunit ng solar receiver ay makabuluhang limitado.

At isa pang mahalagang pagsasaalang-alang tungkol sa mga curved mirror system. Sa prinsipyo, ang medyo malalaking sistema ay maaaring tipunin mula sa mga indibidwal na module.

Para sa kasalukuyang mga pag-install ng ganitong uri tingnan dito: Mga halimbawa ng paggamit ng solar concentrators

Parabolic trough na ginamit sa Lockhart Concentrated Solar Power Plant malapit sa Harper Lake, California (Mojave Solar Project)

Ang mga katulad na planta ng kuryente ay itinayo sa maraming bansa. Gayunpaman, mayroong isang malubhang sagabal sa kanilang trabaho - ang kahirapan sa pagkolekta ng enerhiya.Pagkatapos ng lahat, ang bawat salamin ay may sariling vapor generator sa focus, at lahat sila ay nakakalat sa isang malaking lugar. Nangangahulugan ito na ang singaw ay dapat na kolektahin mula sa maraming mga solar receiver, na lubos na nagpapalubha at nagpapataas ng gastos ng istasyon.

Solar tower

Kahit na sa mga taon ng pre-war, ang inhinyero na si N. V. Linitsky ay naglagay ng ideya ng isang thermal solar power plant na may central solar receiver na matatagpuan sa isang mataas na tore (tower-type solar power plant).

Noong huling bahagi ng 1940s, ang mga siyentipiko mula sa State Research Institute of Energy (ENIN) na pinangalanang V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum at B. A. Garf ay bumuo ng isang siyentipikong konsepto para sa paglikha ng naturang istasyon. Iminungkahi nilang iwanan ang kumplikadong mga mamahaling curved mirror, palitan ang mga ito ng pinakasimpleng flat heliostats.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga solar power plant mula sa isang tore ay medyo simple. Ang mga sinag ng araw ay sinasalamin ng maraming heliostat at nakadirekta sa ibabaw ng isang gitnang receiver — isang solar steam generator na inilagay sa tore.

Alinsunod sa posisyon ng Araw sa kalangitan, awtomatikong nagbabago rin ang oryentasyon ng mga heliostat. Bilang isang resulta, sa buong araw, isang puro stream ng sikat ng araw, na sinasalamin ng daan-daang salamin, ang nagpapainit sa generator ng singaw.

Pagkakaiba sa pagitan ng mga disenyo ng SPP gamit ang parabolic concentrators, SPP na may disc concentrators, at SPP mula sa isang tore

Ang solusyon na ito ay naging kasing simple ng orihinal. Ngunit ang pinakamahalagang bagay ay, sa prinsipyo, naging posible na lumikha ng malalaking solar power plant na may yunit ng kapangyarihan na daan-daang libong kW.

Simula noon, ang tower type solar thermal power plant concept ay nakakuha ng pagkilala sa buong mundo. Noong huling bahagi ng 1970s, ang mga naturang istasyon na may kapasidad na 0.25 hanggang 10 MW ay itinayo sa USA, France, Spain, Italy at Japan.

SES Themis solar tower sa Pyrenees-Orientales sa France

Ayon sa proyektong ito ng Sobyet, noong 1985 sa Crimea, malapit sa lungsod ng Shtelkino, isang eksperimentong tower-type solar power plant na may kapasidad na 5 MW (SES-5) ang itinayo.

Sa SES-5, isang bukas na pabilog na solar steam generator ang ginagamit, ang mga ibabaw nito, gaya ng sinasabi nila, ay bukas sa lahat ng hangin. Samakatuwid, sa mababang temperatura ng kapaligiran at mataas na bilis ng hangin, ang mga pagkalugi ng convective ay tumataas nang husto at makabuluhang bumababa ang kahusayan.

Ang mga receiver ng uri ng lukab ay pinaniniwalaan na ngayon na mas mahusay. Dito, ang lahat ng mga ibabaw ng generator ng singaw ay sarado, dahil sa kung saan ang mga pagkawala ng convective at radiation ay nabawasan nang husto.

Dahil sa mababang mga parameter ng singaw (250 °C at 4MPa), ang thermal efficiency ng SES-5 ay 0.32 lamang.

Pagkatapos ng 10 taon ng operasyon noong 1995 ang SES-5 sa Crimea ay sarado, at noong 2005 ang tore ay ibinigay para sa scrap.

Model SES-5 sa Polytechnic Museum

Gumagamit ng mga bagong disenyo at sistema ang mga tower solar power plant na kasalukuyang ginagamit na mga molten salts (40% potassium nitrate, 60% sodium nitrate) bilang working fluid. Ang mga gumaganang likido na ito ay may mas mataas na kapasidad ng init kaysa sa tubig-dagat, na ginamit sa mga unang pang-eksperimentong pag-install.

Technological diagram ng isang modernong solar thermal power plant

Modernong tower solar power plant

Siyempre, ang mga solar power plant ay isang bago at kumplikadong negosyo at natural na may sapat na mga kalaban. Marami sa mga pagdududa na ipinahayag nila ay may magandang dahilan, ngunit ang isa ay halos hindi sumasang-ayon sa iba.

Halimbawa, madalas na sinasabi na ang malalaking lupain ay kinakailangan upang magtayo ng tower solar power plants. Gayunpaman, ang mga lugar kung saan gumagawa ng gasolina para sa pagpapatakbo ng mga tradisyunal na planta ng kuryente ay hindi maaaring isama.

May isa pang mas nakakumbinsi na kaso pabor sa tower solar power plants. Ang tiyak na lugar ng lupain na binaha ng mga artipisyal na reservoir ng mga hydroelectric power plant ay 169 ektarya / MW, na maraming beses na mas mataas kaysa sa mga tagapagpahiwatig ng naturang solar power plants. Bukod dito, sa panahon ng pagtatayo ng mga hydroelectric power plant, ang napakahahalagang mayayabong na lupain ay madalas na binabaha, at ang mga tower SPP ay dapat na itayo sa mga lugar ng disyerto - sa mga lupain na hindi angkop para sa agrikultura o para sa pagtatayo ng mga pasilidad na pang-industriya.

Ang isa pang dahilan ng pagpuna sa mga tower SPP ay ang kanilang mataas na pagkonsumo ng materyal. May pagdududa pa nga kung maibabalik ng SES ang enerhiya na ginugol sa paggawa ng kagamitan at pagkuha ng mga materyales na ginamit para sa pagtatayo nito sa tinatayang panahon ng operasyon.

Sa katunayan, ang mga naturang pag-install ay masinsinang materyal, ngunit ito ay mahalaga na halos lahat ng mga materyales kung saan itinayo ang mga modernong solar power plant ay hindi kulang.Ang mga kalkulasyong pang-ekonomiya na ginawa pagkatapos ng paglunsad ng unang modernong tower solar power plant ay nagpakita ng kanilang mataas na kahusayan at medyo paborableng mga panahon ng pagbabayad (tingnan sa ibaba para sa mga halimbawa ng matagumpay na mga proyekto sa ekonomiya).

Ang isa pang reserba para sa pagtaas ng kahusayan ng mga solar power plant na may tore ay ang paglikha ng mga hybrid na halaman, kung saan ang mga solar plant ay gagana kasama ng mga conventional thermal plant ng tradisyonal na gasolina. Sa pinagsamang planta, sa mga oras ng matinding solar radiation, ang gasolina binabawasan ng planta ang kapangyarihan nito at " bumibilis" sa maulap na panahon at sa peak load.

Mga halimbawa ng modernong solar power plants

Noong Hunyo 2008, binuksan ng Bright Source Energy ang isang solar energy development center sa disyerto ng Negev ng Israel.

Sa site na ito ay matatagpuan sa Rotema industrial park, mahigit 1,600 heliostats ang na-install na sumusunod sa araw at sumasalamin sa liwanag papunta sa isang 60-meter solar tower. Ang concentrated energy ay gagamitin upang painitin ang boiler sa tuktok ng tore sa 550°C, na bumubuo ng singaw na ipinapadala sa isang turbine kung saan nabubuo ang kuryente. Kapasidad ng power plant 5 MW.

Noong 2019, ang parehong kumpanya ay nagtayo ng isang bagong planta ng kuryente sa disyerto ng Negev -Ashalim… Toya Binubuo ng tatlong seksyon na may tatlong magkakaibang teknolohiya, pinagsasama ng planta ang tatlong uri ng enerhiya: solar thermal energy, photovoltaic energy at natural gas (hybrid power plant). Ang naka-install na kapasidad ng solar tower ay 121 MW.

Kasama sa istasyon ang 50,600 na mga heliostat na kinokontrol ng computer, sapat na para sa 120,000 na mga tahanan. Ang taas ng tore ay 260 metro.Ito ang pinakamataas sa mundo, ngunit kamakailan ay nalampasan ng 262.44-meter solar tower sa Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Isang planta ng kuryente sa disyerto ng Negev sa Israel

Noong tag-araw ng 2009, ang kumpanyang Amerikano na eSolar ay nagtayo ng solar tower Sierra Solar Tower para sa isang 5 MW power plant na matatagpuan sa Lancaster, California, mga 80 km hilaga ng Los Angeles. Ang planta ng kuryente ay sumasaklaw sa isang lugar na humigit-kumulang 8 ektarya sa isang tuyong lambak sa kanluran ng Mojave Desert sa 35°N latitude.

Sierra Solar Tower

Noong Setyembre 9, 2009, batay sa halimbawa ng mga kasalukuyang planta ng kuryente, tinatayang ang halaga ng pagtatayo ng tower solar power plant (CSP) ay US$2.5 hanggang US$4 kada watt, habang ang gasolina (solar radiation) ay libre. . Kaya, ang pagtatayo ng naturang planta ng kuryente na may kapasidad na 250 MW ay nagkakahalaga mula 600 hanggang 1000 milyong US dollars. Nangangahulugan ito mula 0.12 hanggang 0.18 dolyar / kWh.

Napag-alaman din na ang mga bagong halaman ng CSP ay maaaring maging mapagkumpitensya sa ekonomiya sa mga fossil fuel.

Si Nathaniel Bullard, isang analyst sa Bloomberg New Energy Finance, ay tinantya na ang halaga ng kuryente na nabuo ng Iwanpa solar power plant, na inilunsad noong 2014, ay mas mababa kaysa sa kuryenteng nabuo ng Photovoltaic power plant, at halos kapareho ng kuryente mula sa isang natural gas power plant.

Ang pinakasikat sa mga solar power plant sa ngayon ay ang power plant Gemasolar na may kapasidad na 19.9 MW, na matatagpuan sa kanluran ng lungsod ng Esia sa Andalusia (Spain). Ang planta ng kuryente ay pinasinayaan ni Haring Juan Carlos ng Espanya noong Oktubre 4, 2011.

Gemsolar power plant

Ang proyektong ito, na nakatanggap ng grant na 5 milyong euro mula sa European Commission, ay gumagamit ng teknolohiyang sinubok ng American company na Solar Two:

• 2,493 heliostats na may kabuuang lawak na 298,000 m2 ay gumagamit ng salamin na may mas mahusay na reflectivity, na ang pinasimple na disenyo ay binabawasan ang mga gastos sa produksyon ng 45%.

• Isang mas malaking thermal energy storage system na may kapasidad na 8,500 tonelada ng molten salts (nitrates), na nagbibigay ng autonomy na 15 oras (humigit-kumulang 250 MWh) sa kawalan ng sikat ng araw.

• Pinahusay na disenyo ng bomba na nagbibigay-daan sa mga asin na direktang maibomba mula sa mga tangke ng imbakan nang hindi nangangailangan ng sump.

• Sistema ng pagbuo ng singaw kabilang ang sapilitang recirculation ng singaw.

• Steam turbine na may mas mataas na presyon at mas mataas na kahusayan.

• Pinasimple ang molten salt circulation circuit, hinahati ang bilang ng mga valve na kailangan.

Ang planta ng kuryente (tower at heliostats) ay sumasaklaw sa kabuuang lugar na 190 ektarya.

SPP Gemasolar Solar Tower

Nagtayo si Abengoa Hoy maaraw sa South Africa — isang power station na may taas na 205 metro at may kapasidad na 50 MW. Ang seremonya ng pagbubukas ay naganap noong Agosto 27, 2013.

Hoy maaraw

Ivanpah Solar Electric Generating System — isang 392 megawatt (MW) solar power plant sa Mojave Desert ng California, 40 milya sa timog-kanluran ng Las Vegas. Ang planta ng kuryente ay kinomisyon noong Pebrero 13, 2014.

Ivanpah Solar Electric Generating System

Ang taunang output ng SPP na ito ay sumasaklaw sa pagkonsumo ng 140,000 kabahayan. Nag-install ng 173,500 heliostat mirror na tumutuon sa solar energy sa mga steam generator na matatagpuan sa tatlong central solar tower.

Noong Marso 2013, nilagdaan ang isang kasunduan sa Bright Source Energy para magtayo ng planta ng kuryente Nasunog sa California, na binubuo ng dalawang 230 m tower (250 MW bawat isa), na naka-iskedyul para sa 2021.

Iba pang mga nagpapatakbong solar tower power plant: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Morocco, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha at Shouhang Dunhuang (Kathai, parehong 2018.), Gonghe, Luneng Haixi at Hami (China, lahat ng 2019), Cerro Dominador (Chile, Abril 2021).

Isang makabagong solusyon para sa solar energy

Dahil ang teknolohiyang ito ay pinakamahusay na gumagana sa mga lugar na may mataas na insolation (solar radiation), hinuhulaan ng mga eksperto na ang pinakamalaking paglaki sa bilang ng mga tower solar power plant ay sa mga lugar tulad ng Africa, Mexico at timog-kanluran ng Estados Unidos.

Pinaniniwalaan din na ang concentrated solar energy ay may seryosong mga prospect at na ito ay makapagbibigay ng hanggang 25% ng mga pangangailangan ng enerhiya sa mundo pagsapit ng 2050. Sa kasalukuyan, higit sa 50 bagong proyekto ng ganitong uri ng mga power plant ang ginagawa sa mundo.