Kule termal güneş enerjisi santralleri, güneş enerjisi yoğunlaştırma sistemleri

Güneş son derece "temiz" bir enerji kaynağıdır. Günümüzde tüm dünyada Güneş'in kullanımı ile ilgili çalışmalar birçok yönden gelişmektedir. Her şeyden önce, esas olarak bina ısıtma ve ısı tedarikini içeren sözde küçük enerji endüstrisi gelişiyor. Ancak büyük ölçekli enerji alanında şimdiden ciddi adımlar atıldı - güneş enerjisi santralleri fotodönüşüm ve termal dönüşüm temelinde oluşturuluyor. Bu yazımızda sizlere ikinci yönden istasyonların geleceğinden bahsedeceğiz.

Dünya çapında CSP (Konsantre Güneş Enerjisi) olarak bilinen Konsantre Güneş Enerjisi teknolojisi, büyük miktarda güneş ışığını küçük bir alana yoğunlaştırmak için aynalar veya mercekler kullanan bir tür güneş enerjisi santralidir.

CSP, CPV (konsantre fotovoltaikler) olarak da bilinen konsantre fotovoltaiklerle karıştırılmamalıdır. CSP'de konsantre güneş ışığı ısıya dönüştürülür ve ısı daha sonra elektriğe dönüştürülür.Öte yandan, CPV'de konsantre güneş ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülür. fotoelektrik etki.

Güneş yoğunlaştırıcılarının endüstriyel kullanımı

Güneş enerjisi

Güneş, dünya yönünde güçlü bir radyant enerji akışı gönderir. Bunun 2/3'ünün atmosfer tarafından yansıtılıp saçıldığını dikkate alsak bile, dünya yüzeyi 12 ayda 1018 kwh enerji almaktadır ki bu da dünyanın bir yılda tükettiğinin 20.000 katıdır.

Bu tükenmez enerji kaynağını pratik amaçlar için kullanmanın her zaman çok cazip gelmesi doğaldır. Ancak zaman geçti, enerji arayan insan bir ısı motoru yarattı, nehirleri kapattı, bir atomu parçaladı ve Güneş kanatlarda beklemeye devam etti.

Enerjisini kontrol etmek neden bu kadar zor? İlk olarak, güneş radyasyonunun yoğunluğu gün içinde değişir ve bu da tüketim için son derece elverişsizdir. Bu, güneş istasyonunun bir batarya kurulumuna sahip olması veya diğer kaynaklarla birlikte çalışması gerektiği anlamına gelir. Ancak bu hala en büyük dezavantaj değil. Daha da kötüsü, dünya yüzeyindeki güneş radyasyonunun yoğunluğu çok düşüktür.

Yani Rusya'nın güney bölgelerinde sadece 900 - 1000 W / m2... Bu, yalnızca en basit toplayıcılardaki suyu 80 - 90 ° C'yi aşmayan sıcaklıklara ısıtmak için yeterlidir.

Sıcak su temini ve kısmen ısıtma için uygundur, ancak hiçbir durumda elektrik üretimi için uygun değildir. Burada çok daha yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Akı yoğunluğunu artırmak için geniş bir alandan toplayıp dağınıktan konsantreye dönüştürmek gerekir.

Güneş yoğunlaştırma sistemleri ile enerji üretimi

Güneş enerjisini yoğunlaştırma yöntemleri eski zamanlardan beri bilinmektedir.Büyük Arşimet'in MÖ 3. yüzyılda onu kuşatan Roma filosunu içbükey cilalı bakır aynaların yardımıyla nasıl yaktığına dair bir efsane korunmuştur. NS. Syracuse. Ve bu efsane tarihsel belgelerle doğrulanmasa da, parabolik bir aynanın odağında herhangi bir maddenin 3500 - 4000 ° C sıcaklıklara ısıtılması olasılığı tartışılmaz bir gerçektir.

Yararlı enerji üretmek için parabolik aynaları kullanma girişimleri 19. yüzyılın ikinci yarısında başladı. Özellikle ABD, İngiltere ve Fransa'da yoğun çalışmalar yürütüldü.

ABD, Los Angeles'ta (1901 dolaylarında) güneş termal enerjisini kullanmak için deneysel bir parabolik ayna.

1866'da Augustin Mouchaud, ilk güneş enerjili buhar motorunda buhar üretmek için parabolik bir silindir kullandı.

A. Mouchaud'nun 1882'de Paris'teki Dünya Sanayi Fuarı'nda sergilenen güneş enerjisi santrali, çağdaşları üzerinde büyük bir etki bıraktı.

Güneş kollektörü için ilk patent 1886'da Cenova'da (İtalya) İtalyan Alessandro Battaglia tarafından alındı. İlerleyen yıllarda John Erickson ve Frank Schumann gibi mucitler, sulama, soğutma ve hareket için güneş enerjisini yoğunlaştırarak çalışan cihazlar geliştirdiler.

Güneş Motoru, 1882

Frank Schumann'ın Kahire'deki güneş santrali

1912 yılında Kahire yakınlarında sulama sisteminde kullanılan toplam alanı 1200 m2 olan parabolik-silindirik yoğunlaştırıcılarla 45 kw kapasiteli ilk güneş enerjisi santrali inşa edilmiştir. Her aynanın odak noktasına tüpler yerleştirildi. Güneş ışınları yüzeylerinde yoğunlaşmıştı.Borulardaki su, ortak bir toplayıcıda toplanan ve buhar makinesine beslenen buhara dönüşür.

Genel olarak, aynaların fantastik odaklama gücüne olan inancın birçok zihni ele geçirdiği bir dönem olduğunu belirtmek gerekir. A. Tolstoy'un "Mühendis Garin'in Hiperboloidi" romanı bu umutların bir nevi kanıtı oldu.

Gerçekten de, bazı endüstrilerde bu tür aynalar yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu prensibe göre, birçok ülke yüksek saflıkta refrakter malzemeleri eritmek için fırınlar inşa etmiştir. Örneğin, Fransa 1 MW kapasite ile dünyanın en büyük fırınına sahiptir.

Peki ya elektrik enerjisi üreten tesisler? Burada bilim adamları bir dizi zorlukla karşılaştı. Her şeyden önce, karmaşık ayna yüzeylerine sahip odaklama sistemlerinin maliyetinin çok yüksek olduğu ortaya çıktı. Ayrıca aynaların boyutları arttıkça maliyet katlanarak artmaktadır.

Ayrıca 500 - 600 m2 alana sahip bir ayna oluşturmak teknik olarak zordur ve ondan 50 kW'tan fazla güç alamazsınız. Bu koşullar altında güneş alıcısının birim gücünün önemli ölçüde sınırlı olduğu açıktır.

Ve kavisli ayna sistemleri hakkında bir önemli husus daha. Prensip olarak, oldukça büyük sistemler bireysel modüllerden monte edilebilir.

Bu türdeki mevcut kurulumlar için buraya bakın: Güneş yoğunlaştırıcılarının kullanımına örnekler

California, Harper Lake yakınlarındaki Lockhart Konsantre Güneş Enerjisi Santrali'nde kullanılan parabolik oluk (Mojave Solar Projesi)

Birçok ülkede benzer santraller inşa edildi. Ancak işlerinde ciddi bir dezavantaj var - enerji toplamanın zorluğu.Sonuçta, her aynanın odakta kendi buhar üreticisi var ve hepsi geniş bir alana yayılıyor. Bu, buharın birçok güneş alıcısından toplanması gerektiği anlamına gelir, bu da istasyonun maliyetini büyük ölçüde karmaşıklaştırır ve artırır.

güneş kulesi

Savaş öncesi yıllarda bile, mühendis N. V. Linitsky, yüksek bir kuleye (kule tipi güneş enerjisi santrali) yerleştirilmiş merkezi bir güneş alıcısına sahip bir termik güneş enerjisi santrali fikrini ortaya attı.

1940'ların sonlarında, Devlet Enerji Araştırma Enstitüsü'nden (ENIN) bilim adamları V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum ve B. A. Garf, böyle bir istasyonun oluşturulması için bilimsel bir konsept geliştirdiler. Karmaşık pahalı kavisli aynaları terk etmeyi ve onları en basit düz heliostatlarla değiştirmeyi önerdiler.

Bir kuleden güneş enerjisi santrallerinin çalışma prensibi oldukça basittir. Güneş ışınları birden fazla helyostat tarafından yansıtılır ve merkezi bir alıcının yüzeyine yönlendirilir - kuleye yerleştirilmiş bir güneş buhar jeneratörü.

Güneş'in gökyüzündeki konumuna göre heliostatların yönü de otomatik olarak değişir. Sonuç olarak, gün boyunca yüzlerce aynadan yansıyan konsantre bir güneş ışığı buhar jeneratörünü ısıtır.

Parabolik yoğunlaştırıcı kullanan GES tasarımları, disk yoğunlaştırıcılı GES ve bir kuleden GES arasındaki fark

Bu çözümün orijinal olduğu kadar basit olduğu ortaya çıktı. Ancak en önemli şey, prensip olarak yüzbinlerce kW birim güce sahip büyük güneş enerjisi santralleri oluşturmanın mümkün hale gelmesiydi.

O zamandan beri, kule tipi güneş termik santral konsepti dünya çapında tanınırlık kazanmıştır. Ancak 1970'lerin sonunda ABD, Fransa, İspanya, İtalya ve Japonya'da 0,25 ila 10 MW kapasiteli bu tür istasyonlar inşa edildi.

Fransa'daki Doğu Pireneler'deki SES Themis güneş kulesi

Bu Sovyet projesine göre 1985 yılında Kırım'da Shtelkino şehri yakınlarında 5 MW (SES-5) kapasiteli deneysel bir kule tipi güneş enerjisi santrali inşa edildi.

SES-5'te, yüzeyleri dedikleri gibi tüm rüzgarlara açık olan açık dairesel bir güneş buhar jeneratörü kullanılır. Bu nedenle, düşük ortam sıcaklıklarında ve yüksek rüzgar hızlarında konvektif kayıplar keskin bir şekilde artar ve verimlilik önemli ölçüde düşer.

Boşluk tipi alıcıların artık çok daha verimli olduğuna inanılıyor. Burada buhar üreticisinin tüm yüzeyleri kapalıdır, bu nedenle konvektif ve radyasyon kayıpları keskin bir şekilde azalır.

Düşük buhar parametreleri (250 °C ve 4MPa) nedeniyle SES-5'in ısıl verimi sadece 0,32'dir.

1995'te 10 yıllık operasyonun ardından Kırım'daki SES-5 kapatıldı ve 2005'te kule hurdaya verildi.

Politeknik Müzesi'ndeki Model SES-5

Şu anda faaliyette olan kule güneş enerjisi santralleri, çalışma sıvısı olarak erimiş tuzları (%40 potasyum nitrat, %60 sodyum nitrat) kullanan yeni tasarımlar ve sistemler kullanmaktadır. Bu çalışma sıvıları, ilk deneysel tesislerde kullanılan deniz suyundan daha yüksek bir ısı kapasitesine sahiptir.

Modern bir güneş enerjisi santralinin teknolojik diyagramı

Modern kule güneş enerjisi santrali

Elbette güneş enerjisi santralleri yeni ve karmaşık bir iş ve doğal olarak yeterince rakibi var. Ortaya koydukları şüphelerin birçoğunun oldukça iyi nedenleri var, ancak diğerleriyle aynı fikirde olmak pek mümkün değil.

Örneğin, kule güneş enerjisi santralleri inşa etmek için geniş arazi alanlarının gerekli olduğu sıklıkla söylenir. Ancak, geleneksel enerji santrallerinin işletilmesi için yakıt üretilen alanlar da göz ardı edilemez.

Kule güneş enerjisi santralleri lehine daha ikna edici bir durum daha var. Hidroelektrik santrallerin yapay rezervuarları tarafından sular altında kalan arazinin spesifik alanı 169 hektar / MW'dir ve bu, bu tür güneş enerjisi santrallerinin göstergelerinden kat kat fazladır. Ayrıca, hidroelektrik santrallerin inşası sırasında çok değerli verimli topraklar genellikle sular altında kalmakta ve kule GES'lerin çöl alanlarına - ne tarıma ne de endüstriyel tesislerin inşasına uygun olmayan arazilere - inşa edilmesi gerekmektedir.

Kule GES'lerine yönelik eleştirilerin bir diğer nedeni de yüksek malzeme tüketimleridir. SES'in, ekipmanın üretimi için harcanan enerjiyi ve inşaatı için kullanılan malzemeleri elde etmek için tahmini işletme süresi boyunca geri ödeyebileceğinden bile şüphe var.

Aslında, bu tür kurulumlar malzeme yoğundur, ancak modern güneş enerjisi santrallerinin inşa edildiği hemen hemen tüm malzemelerin eksik olmaması esastır.İlk modern kule güneş enerjisi santrallerinin devreye alınmasından sonra yapılan ekonomik hesaplamalar, yüksek verimliliklerini ve oldukça uygun geri ödeme sürelerini göstermiştir (ekonomik açıdan başarılı proje örnekleri için aşağıya bakınız).

Kuleli güneş enerjisi santrallerinin verimliliğini artırmak için bir başka rezerv, güneş santrallerinin geleneksel yakıtlı konvansiyonel termik santrallerle birlikte çalışacağı hibrit santrallerin oluşturulmasıdır.Kombine santralde, yoğun güneş radyasyonunun olduğu saatlerde yakıt, bitki gücünü azaltır ve bulutlu havalarda ve pik yüklerde "hızlanır".

Modern güneş enerjisi santrallerine örnekler

Haziran 2008'de Bright Source Energy, İsrail'in Negev çölünde bir güneş enerjisi geliştirme merkezi açtı.

Bulunduğu sitede Rotema endüstri parkında, güneşi takip eden ve ışığı 60 metrelik bir güneş kulesine yansıtan 1.600'den fazla heliostat kuruldu. Konsantre enerji daha sonra kulenin tepesindeki kazanı 550°C'ye ısıtmak için kullanılır ve elektrik üretildiği bir türbine gönderilen buhar üretilir. Santral kapasitesi 5 MW.

2019'da aynı şirket Negev çölünde yeni bir elektrik santrali inşa etti —Aşalim… Toya Üç farklı teknolojiye sahip üç bölümden oluşan santral, üç tür enerjiyi birleştiriyor: güneş enerjisi, fotovoltaik enerji ve doğal gaz (hibrit santral). Güneş kulesinin kurulu gücü 121 MW'tır.

İstasyon, 120.000 eve güç sağlamaya yetecek kadar bilgisayar kontrollü 50.600 heliostat içerir. Kulenin yüksekliği 260 metredir.Dünyanın en yüksek kulesiydi, ancak yakın zamanda Muhammed bin Rashid Al Maktoum Güneş Parkı'ndaki 262,44 metrelik güneş kulesi tarafından geçildi.

İsrail'deki Negev çölünde bir elektrik santrali

2009 yazında, Amerikan şirketi eSolar bir güneş kulesi inşa etti. Sierra Güneş Kulesi Los Angeles'ın yaklaşık 80 km kuzeyinde, Lancaster, California'da bulunan 5 MW'lık bir elektrik santrali için Santral, 35°K enleminde Mojave Çölü'nün batısındaki kuru bir vadide yaklaşık 8 hektarlık bir alanı kaplamaktadır.

Sierra Güneş Kulesi

9 Eylül 2009 itibariyle, mevcut elektrik santralleri örneğine dayanarak, bir kule güneş enerjisi santrali (CSP) inşa etme maliyetinin watt başına 2,5 ABD Doları ila 4 ABD Doları olduğu tahmin edilirken, yakıt (güneş radyasyonu) bedavadır. . Böylece 250 MW kapasiteli böyle bir santralin inşası 600 ila 1000 milyon ABD dolarına mal oluyor. Bu, 0,12 ila 0,18 dolar / kWh anlamına gelir.

Yeni CSP tesislerinin fosil yakıtlarla ekonomik olarak rekabet edebildiği de bulundu.

Bloomberg New Energy Finance analisti Nathaniel Bullard, 2014 yılında devreye alınan Iwanpa güneş enerjisi santralinin ürettiği elektriğin maliyetinin, güneş enerjisi santralinin ürettiği elektriğe göre daha düşük olduğunu tahmin ediyor. fotovoltaik enerji santralive doğal gaz santralinden elde edilen elektriğin neredeyse aynısıdır.

Şu anda güneş enerjisi santrallerinin en ünlüsü elektrik santralidir. Gemasolar Endülüs'te (İspanya) Esia şehrinin batısında yer alan 19,9 MW kapasiteli. Santralin açılışı 4 Ekim 2011'de İspanya Kralı Juan Carlos tarafından yapıldı.

Gemsolar enerji santrali

Avrupa Komisyonu'ndan 5 milyon euro hibe alan bu projede Amerikan şirketi Solar Two tarafından test edilen teknoloji kullanılıyor:

• Toplam 298.000 m2 alana sahip 2.493 heliostat, basitleştirilmiş tasarımı üretim maliyetlerini %45 oranında azaltan daha iyi yansıtıcılığa sahip cam kullanır.

• 8.500 ton erimiş tuz (nitrat) kapasiteli, güneş ışığı olmadığında 15 saatlik (yaklaşık 250 MWh) özerklik sağlayan daha büyük bir termal enerji depolama sistemi.

• Tuzların bir hazneye ihtiyaç duymadan doğrudan depolama tanklarından pompalanmasına izin veren geliştirilmiş pompa tasarımı.

• Zorunlu buhar sirkülasyonu dahil olmak üzere buhar üretim sistemi.

• Daha yüksek basınç ve daha yüksek verimliliğe sahip buhar türbini.

• Gerekli valf sayısını yarıya indiren basitleştirilmiş erimiş tuz sirkülasyon devresi.

Santral (kule ve heliostatlar) toplam 190 hektarlık bir alanı kaplamaktadır.

SPP Gemasolar Güneş Kulesi

Abengoa inşa etti Hey güneşli Güney Afrika'da - 205 metre yüksekliğinde ve 50 MW kapasiteli bir elektrik santrali. Açılış töreni 27 Ağustos 2013 tarihinde gerçekleşti.

Hey güneşli

Ivanpah Solar Elektrik Üretim Sistemi - Las Vegas'ın 40 mil güneybatısında, Kaliforniya'nın Mojave Çölü'nde 392 megavatlık (MW) bir güneş enerjisi santrali. Santral 13 Şubat 2014 tarihinde devreye alınmıştır.

Ivanpah Solar Elektrik Üretim Sistemi

Bu GES'in yıllık üretimi 140.000 hanenin tüketimini karşılamaktadır. Üç merkezi güneş kulesinde bulunan buhar jeneratörlerine güneş enerjisini odaklayan 173.500 heliostat aynası kuruldu.

Mart 2013'te Bright Source Energy ile bir enerji santrali inşa etmek için bir anlaşma imzalandı. yanmış Kaliforniya'da iki adet 230 m'lik kuleden (her biri 250 MW) oluşan, 2021'de devreye alınması planlanıyor.

Diğer faal güneş enerjisi santralleri: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Fas, 2014), Crescent Dunes (Nevada, ABD, 2016), SUPCON Delingha ve Shouhang Dunhuang (Kathai, her ikisi de 2018.), Gonghe, Luneng Haixi ve Hami (Çin, tümü 2019), Cerro Dominador (Şili, Nisan 2021).

Güneş enerjisi için yenilikçi bir çözüm

Bu teknoloji en iyi güneş ışığının yüksek olduğu (güneş radyasyonu) alanlarda çalıştığından, uzmanlar kule güneş enerjisi santrallerinin sayısındaki en büyük artışın Afrika, Meksika ve Amerika Birleşik Devletleri'nin güneybatısında olacağını tahmin ediyor.

Ayrıca konsantre güneş enerjisinin ciddi umutları olduğu ve 2050 yılına kadar dünyanın enerji ihtiyacının %25'ini karşılayabileceği düşünülmektedir. Şu anda dünyada 50'den fazla yeni bu tip santral projesi geliştirilmektedir.