Loji kuasa solar terma menara, sistem penumpuan tenaga solar

Matahari adalah sumber tenaga yang sangat "bersih". Hari ini, di seluruh dunia, kerja mengenai penggunaan Matahari sedang berkembang dalam pelbagai arah. Pertama sekali, industri kuasa kecil yang dipanggil sedang berkembang, yang terutamanya termasuk pemanasan bangunan dan bekalan haba. Tetapi langkah-langkah serius telah pun diambil dalam bidang tenaga berskala besar - loji tenaga suria sedang dibuat berdasarkan penukaran foto dan penukaran haba. Dalam artikel ini, kami akan memberitahu anda tentang prospek stesen dari arah kedua.

Teknologi Tenaga Suria Pekat, yang dikenali di seluruh dunia sebagai CSP (Kuasa Suria Pekat), adalah sejenis loji tenaga solar yang menggunakan cermin atau kanta untuk menumpukan sejumlah besar cahaya matahari ke kawasan yang kecil.

CSP tidak boleh dikelirukan dengan fotovoltaik pekat — juga dikenali sebagai CPV (fotovoltaik pekat). Dalam CSP, cahaya matahari pekat ditukar kepada haba, dan haba itu kemudiannya ditukar kepada elektrik.Sebaliknya, dalam CPV, cahaya matahari pekat ditukar terus kepada elektrik melalui kesan fotoelektrik.

Penggunaan industri penumpu suria

Tenaga solar

Matahari menghantar aliran tenaga pancaran yang kuat ke arah bumi. Walaupun kita mengambil kira bahawa 2/3 daripadanya dipantulkan dan diserakkan oleh atmosfera, namun permukaan bumi menerima 1018 kWj tenaga dalam tempoh 12 bulan, iaitu 20,000 kali ganda daripada penggunaan dunia dalam setahun.

Adalah wajar bahawa menggunakan sumber tenaga yang tidak habis-habis ini untuk tujuan praktikal sentiasa kelihatan sangat menggoda. Walau bagaimanapun, masa berlalu, manusia yang mencari tenaga mencipta enjin haba, menyekat sungai, membelah atom dan Matahari terus menunggu di sayap.

Kenapa susah sangat nak kawal tenaga dia? Pertama, keamatan sinaran suria berubah pada siang hari, yang amat menyusahkan untuk dimakan. Ini bermakna stesen solar mesti mempunyai pemasangan bateri atau berfungsi bersama-sama dengan sumber lain. Tetapi ini masih bukan kelemahan terbesar. Lebih teruk lagi, ketumpatan sinaran suria di permukaan bumi adalah sangat rendah.

Jadi di wilayah selatan Rusia, ia hanya 900 — 1000 W / m2... Ini cukup hanya untuk memanaskan air dalam pengumpul paling mudah kepada suhu tidak lebih daripada 80 — 90 ° C.

Ia sesuai untuk bekalan air panas dan sebahagiannya untuk pemanasan, tetapi tidak untuk penjanaan elektrik. Suhu yang lebih tinggi diperlukan di sini. Untuk meningkatkan ketumpatan fluks, adalah perlu untuk mengumpulnya dari kawasan yang besar dan mengubahnya daripada bertaburan kepada pekat.

Pengeluaran tenaga dengan sistem penumpuan solar

Kaedah penumpuan tenaga suria telah diketahui sejak zaman purba.Satu legenda telah dipelihara tentang bagaimana Archimedes yang hebat, dengan bantuan cermin tembaga yang digilap cekung, membakar armada Rom yang mengepungnya pada abad ke-3 SM. NS. Syracuse. Dan walaupun legenda ini tidak disahkan oleh dokumen sejarah, kemungkinan pemanasan dalam fokus cermin parabola apa-apa bahan kepada suhu 3500 — 4000 ° C adalah fakta yang tidak dapat dipertikaikan.

Percubaan untuk menggunakan cermin parabola untuk menjana tenaga berguna bermula pada separuh kedua abad ke-19. Kerja yang sangat intensif telah dijalankan di Amerika Syarikat, England dan Perancis.

Cermin parabola eksperimen untuk menggunakan tenaga haba suria di Los Angeles, Amerika Syarikat (sekitar 1901).

Pada tahun 1866, Augustin Mouchaud menggunakan silinder parabola untuk menjana stim dalam enjin stim solar yang pertama.

Loji tenaga solar A. Mouchaud, yang ditunjukkan di Pameran Perindustrian Dunia di Paris pada tahun 1882, memberi kesan yang besar kepada orang sezaman.

Paten pertama untuk pengumpul suria telah diperoleh oleh Alessandro Battaglia Itali di Genoa (Itali) pada tahun 1886. Pada tahun-tahun berikutnya, pencipta seperti John Erickson dan Frank Schumann membangunkan peranti yang berfungsi dengan menumpukan tenaga suria untuk pengairan, penyejukan dan pergerakan.

Enjin Suria, 1882

Loji solar Frank Schumann di Kaherah

Pada tahun 1912, loji tenaga solar pertama dengan kapasiti 45 kW telah dibina berhampiran Kaherah dengan penumpu silinder parabola dengan keluasan keseluruhan 1200 m22 yang digunakan dalam sistem pengairan. Tiub diletakkan pada fokus setiap cermin. Sinaran matahari tertumpu pada permukaannya.Air dalam paip bertukar menjadi wap, yang dikumpulkan dalam pengumpul biasa dan disalurkan ke enjin stim.

Secara umum, perlu diingat bahawa ini adalah tempoh apabila kepercayaan terhadap kuasa pemfokusan cermin yang hebat telah menguasai banyak fikiran. Novel A. Tolstoy "The Hyperboloid of Engineer Garin" menjadi sejenis bukti harapan ini.

Malah, dalam beberapa industri, cermin sedemikian digunakan secara meluas. Atas prinsip ini, banyak negara telah membina relau untuk mencairkan bahan refraktori ketulenan tinggi. Sebagai contoh, Perancis mempunyai ketuhar terbesar di dunia dengan kapasiti 1 MW.

Dan bagaimana pula dengan pemasangan untuk menjana tenaga elektrik? Di sini para saintis telah menghadapi beberapa kesukaran. Pertama sekali, kos sistem pemfokusan dengan permukaan cermin yang kompleks ternyata sangat tinggi. Selain itu, apabila saiz cermin meningkat, kos meningkat secara eksponen.

Juga, buat cermin dengan keluasan 500 — 600 m2 sukar secara teknikal, dan anda boleh mendapatkan tidak lebih daripada 50 kW kuasa daripadanya. Adalah jelas bahawa di bawah keadaan ini kuasa unit penerima solar adalah terhad dengan ketara.

Dan satu lagi pertimbangan penting mengenai sistem cermin melengkung. Pada dasarnya, sistem yang agak besar boleh dipasang dari modul individu.

Untuk pemasangan semasa jenis ini lihat di sini: Contoh penggunaan solar concentrator

Palung parabola yang digunakan di Loji Tenaga Suria Pekat Lockhart berhampiran Tasik Harper, California (Projek Solar Mojave)

Loji kuasa serupa telah dibina di banyak negara. Walau bagaimanapun, terdapat kelemahan yang serius dalam kerja mereka - kesukaran untuk mengumpul tenaga.Lagipun, setiap cermin mempunyai penjana wap sendiri pada tumpuan, dan mereka semua tersebar di kawasan yang luas. Ini bermakna bahawa wap mesti dikumpulkan dari banyak penerima solar, yang sangat merumitkan dan meningkatkan kos stesen.

Menara suria

Malah pada tahun-tahun sebelum perang, jurutera N. V. Linitsky mengemukakan idea loji tenaga solar terma dengan penerima solar pusat yang terletak di menara tinggi (loji kuasa solar jenis menara).

Pada akhir 1940-an, saintis dari Institut Penyelidikan Tenaga Negeri (ENIN) dinamakan sempena V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum dan B. A. Garf membangunkan konsep saintifik untuk penciptaan stesen sedemikian. Mereka mencadangkan untuk meninggalkan cermin melengkung mahal yang kompleks, menggantikannya dengan heliostat rata yang paling mudah.

Prinsip operasi loji tenaga solar dari menara agak mudah. Sinaran matahari dipantulkan oleh pelbagai heliostat dan diarahkan ke permukaan penerima pusat — penjana stim suria yang diletakkan di atas menara.

Sesuai dengan kedudukan Matahari di langit, orientasi heliostat juga berubah secara automatik. Akibatnya, sepanjang hari, aliran cahaya matahari yang tertumpu, dipantulkan oleh ratusan cermin, memanaskan penjana stim.

Perbezaan antara reka bentuk SPP menggunakan penumpu parabola, SPP dengan penumpu cakera, dan SPP dari menara

Penyelesaian ini ternyata semudah yang asal. Tetapi perkara yang paling penting ialah, pada dasarnya, ia menjadi mungkin untuk mencipta loji tenaga solar yang besar dengan kuasa unit ratusan ribu kW.

Sejak itu, konsep loji kuasa haba solar jenis menara telah mendapat pengiktirafan di seluruh dunia. Hanya pada akhir 1970-an, stesen dengan kapasiti 0.25 hingga 10 MW telah dibina di Amerika Syarikat, Perancis, Sepanyol, Itali dan Jepun.

Menara solar SES Themis di Pyrenees-Orientales di Perancis

Menurut projek Soviet ini, pada tahun 1985 di Crimea, berhampiran bandar Shtelkino, sebuah loji tenaga solar jenis menara eksperimen dengan kapasiti 5 MW (SES-5) telah dibina.

Dalam SES-5, penjana wap suria bulat terbuka digunakan, permukaannya, seperti yang mereka katakan, terbuka kepada semua angin. Oleh itu, pada suhu ambien yang rendah dan kelajuan angin yang tinggi, kehilangan perolakan meningkat dengan mendadak dan kecekapan berkurangan dengan ketara.

Penerima jenis rongga kini dipercayai lebih cekap. Di sini, semua permukaan penjana stim ditutup, kerana kerugian perolakan dan sinaran berkurangan secara mendadak.

Disebabkan oleh parameter wap yang rendah (250 °C dan 4MPa), kecekapan terma SES-5 hanyalah 0.32.

Selepas 10 tahun beroperasi pada tahun 1995 SES-5 di Crimea ditutup, dan pada tahun 2005 menara itu diserahkan untuk sekerap.

Model SES-5 di Muzium Politeknik

Loji kuasa solar menara yang sedang beroperasi menggunakan reka bentuk dan sistem baharu yang menggunakan garam cair (40% kalium nitrat, 60% natrium nitrat) sebagai cecair kerja. Cecair kerja ini mempunyai kapasiti haba yang lebih tinggi daripada air laut, yang digunakan dalam pemasangan percubaan pertama.

Gambar rajah teknologi loji janakuasa haba suria moden

Loji kuasa solar menara moden

Sudah tentu, loji tenaga solar adalah perniagaan baru dan rumit dan secara semula jadi mempunyai cukup lawan. Banyak keraguan yang mereka nyatakan mempunyai alasan yang agak kukuh, tetapi seseorang sukar bersetuju dengan orang lain.

Sebagai contoh, sering dikatakan bahawa kawasan tanah yang luas diperlukan untuk membina loji kuasa solar menara. Walau bagaimanapun, kawasan di mana bahan api dihasilkan untuk operasi loji janakuasa tradisional tidak boleh dikecualikan.

Terdapat satu lagi kes yang lebih meyakinkan yang memihak kepada loji kuasa solar menara. Kawasan khusus tanah yang dibanjiri oleh takungan buatan loji kuasa hidroelektrik adalah 169 hektar / MW, yang berkali-kali lebih tinggi daripada penunjuk loji tenaga solar tersebut. Lebih-lebih lagi, semasa pembinaan loji kuasa hidroelektrik, tanah subur yang sangat berharga sering ditenggelami air, dan menara SPP sepatutnya dibina di kawasan padang pasir - di atas tanah yang tidak sesuai untuk pertanian mahupun untuk pembinaan kemudahan industri.

Satu lagi sebab untuk kritikan terhadap SPP menara adalah penggunaan bahan yang tinggi. Malah terdapat keraguan sama ada SES akan dapat mengembalikan tenaga yang dibelanjakan untuk pengeluaran peralatan dan mendapatkan bahan yang digunakan untuk pembinaannya semasa tempoh anggaran operasi.

Memang, pemasangan sedemikian adalah intensif bahan, tetapi adalah penting bahawa hampir semua bahan dari mana loji tenaga solar moden dibina tidak kekurangan bekalan.Pengiraan ekonomi yang dilakukan selepas pelancaran loji kuasa solar menara moden yang pertama menunjukkan kecekapan tinggi dan tempoh bayaran balik yang agak menggalakkan (lihat di bawah untuk contoh projek yang berjaya dari segi ekonomi).

Rizab lain untuk meningkatkan kecekapan loji janakuasa suria dengan menara ialah penciptaan loji hibrid, di mana loji suria akan bekerjasama dengan loji terma konvensional bahan api tradisional. Di loji gabungan, pada waktu sinaran suria yang sengit, bahan api loji mengurangkan kuasanya dan "mempercepatkan" dalam cuaca mendung dan pada beban puncak.

Contoh loji tenaga solar moden

Pada Jun 2008, Bright Source Energy membuka pusat pembangunan tenaga suria di padang pasir Negev Israel.

Di tapak ia terletak di taman perindustrian Rotema, lebih 1,600 heliostat telah dipasang yang mengikuti matahari dan memantulkan cahaya ke menara solar 60 meter. Tenaga pekat kemudiannya digunakan untuk memanaskan dandang di bahagian atas menara hingga 550°C, menghasilkan wap yang dihantar ke turbin di mana tenaga elektrik dijana. Kapasiti loji kuasa 5 MW.

Pada 2019, syarikat yang sama membina loji kuasa baharu di padang pasir Negev —Ashalim… Toya Terdiri daripada tiga bahagian dengan tiga teknologi berbeza, loji itu menggabungkan tiga jenis tenaga: tenaga haba suria, tenaga fotovoltaik dan gas asli (loji kuasa hibrid). Kapasiti terpasang menara solar ialah 121 MW.

Stesen ini termasuk 50,600 heliostat dikawal komputer, cukup untuk menggerakkan 120,000 rumah. Ketinggian menara ialah 260 meter.Ia adalah yang tertinggi di dunia, tetapi baru-baru ini diatasi oleh menara solar 262.44 meter di Taman Suria Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Sebuah loji kuasa di padang pasir Negev di Israel

Pada musim panas 2009, syarikat Amerika eSolar membina menara solar Menara Suria Sierra untuk loji janakuasa 5 MW yang terletak di Lancaster, California, kira-kira 80 km di utara Los Angeles. Loji janakuasa itu meliputi kawasan seluas kira-kira 8 hektar di lembah kering di barat Gurun Mojave pada latitud 35°U.

Menara Suria Sierra

Sehingga 9 September 2009, berdasarkan contoh loji janakuasa sedia ada, dianggarkan kos pembinaan loji janakuasa suria menara (CSP) adalah AS$2.5 hingga AS$4 per watt, manakala bahan api (sinaran suria) adalah percuma. . Oleh itu, pembinaan loji janakuasa sedemikian dengan kapasiti 250 MW menelan kos dari 600 hingga 1000 juta dolar AS. Ini bermakna dari 0.12 hingga 0.18 dolar / kWj.

Ia juga didapati bahawa loji CSP baharu boleh bersaing dari segi ekonomi dengan bahan api fosil.

Nathaniel Bullard, seorang penganalisis di Bloomberg New Energy Finance, menganggarkan bahawa kos elektrik yang dijana oleh loji tenaga solar Iwanpa, yang dilancarkan pada 2014, adalah lebih rendah daripada tenaga elektrik yang dijana oleh Loji kuasa fotovoltaik, dan hampir sama dengan elektrik daripada loji janakuasa gas asli.

Yang paling terkenal di antara loji tenaga solar pada masa ini ialah loji kuasa Gemasolar dengan kapasiti 19.9 MW, terletak di barat bandar Esia di Andalusia (Sepanyol). Loji janakuasa itu telah dirasmikan oleh Raja Juan Carlos dari Sepanyol pada 4 Oktober 2011.

Loji kuasa gemsolar

Projek ini, yang menerima geran 5 juta euro daripada Suruhanjaya Eropah, menggunakan teknologi yang diuji oleh syarikat Amerika Solar Two:

• 2,493 heliostat dengan keluasan keseluruhan 298,000 m2 menggunakan kaca dengan pemantulan yang lebih baik, yang reka bentuk ringkasnya mengurangkan kos pengeluaran sebanyak 45%.

• Sistem penyimpanan tenaga haba yang lebih besar dengan kapasiti 8,500 tan garam cair (nitrat), memberikan autonomi selama 15 jam (kira-kira 250 MWj) tanpa kehadiran cahaya matahari.

• Reka bentuk pam yang dipertingkatkan yang membolehkan garam dipam terus dari tangki simpanan tanpa memerlukan bah.

• Sistem penjanaan wap termasuk peredaran semula stim secara paksa.

• Turbin wap dengan tekanan yang lebih tinggi dan kecekapan yang lebih tinggi.

• Litar edaran garam cair yang dipermudahkan, mengurangkan separuh bilangan injap yang diperlukan.

Loji kuasa (menara dan heliostat) meliputi kawasan seluas 190 hektar.

Menara Suria SPP Gemasolar

Abengoa telah membina Hai yang cerah di Afrika Selatan — stesen janakuasa dengan ketinggian 205 meter dan kapasiti 50 MW. Majlis perasmian telah berlangsung pada 27 Ogos 2013.

Hai yang cerah

Sistem Penjanaan Elektrik Suria Ivanpah — loji tenaga solar 392 megawatt (MW) di Gurun Mojave California, 40 batu barat daya Las Vegas. Loji janakuasa itu telah ditauliahkan pada 13 Februari 2014.

Sistem Penjanaan Elektrik Suria Ivanpah

Keluaran tahunan SPP ini meliputi penggunaan 140,000 isi rumah. Memasang 173,500 cermin heliostat memfokuskan tenaga suria pada penjana stim yang terletak di tiga menara solar pusat.

Pada Mac 2013, perjanjian telah ditandatangani dengan Bright Source Energy untuk membina loji janakuasa Terbakar di California, yang terdiri daripada dua menara 230 m (250 MW setiap satu), yang dijadualkan pada 2021.

Loji janakuasa menara suria lain yang beroperasi: Taman Suria (Dubai, 2013), Nur III (Maghribi, 2014), Crescent Dunes (Nevada, Amerika Syarikat, 2016), SUPCON Delingha dan Shouhang Dunhuang (Kathai, kedua-duanya 2018.), Gonghe, Luneng Haixi dan Hami (China, semua 2019), Cerro Dominador (Chile, April 2021).

Penyelesaian inovatif untuk tenaga solar

Oleh kerana teknologi ini berfungsi paling baik di kawasan yang mempunyai insolasi tinggi (sinaran suria), pakar meramalkan bahawa pertumbuhan terbesar dalam bilangan loji kuasa solar menara akan berlaku di tempat seperti Afrika, Mexico dan barat daya Amerika Syarikat.

Ia juga dipercayai bahawa tenaga suria pekat mempunyai prospek yang serius dan ia boleh menyediakan sehingga 25% daripada keperluan tenaga dunia menjelang 2050. Pada masa ini, lebih daripada 50 projek baharu loji kuasa jenis ini sedang dibangunkan di dunia.