Солнечная тепловая энергия ( STE ) — это форма энергии и технология использования солнечной энергии для производства тепловой энергии для использования в промышленности , а также в жилом и коммерческом секторах.
Солнечные тепловые коллекторы классифицируются Управлением энергетической информации США как низко-, средне- и высокотемпературные коллекторы. Низкотемпературные коллекторы, как правило, не имеют глазури и используются для подогрева плавательных бассейнов или для подогрева вентиляционного воздуха. Коллекторы средней температуры также обычно представляют собой плоские пластины, но используются для нагрева воды или воздуха в жилых и коммерческих целях.
Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечный свет с помощью зеркал или линз и обычно используются для обеспечения потребностей в тепле до 300 градусов C / давления 20 бар в промышленности, а также для производства электроэнергии. Две категории включают концентрированную солнечную тепловую энергию (CST) для удовлетворения потребностей в тепле в промышленности и концентрированную солнечную энергию (CSP), когда собранное тепло используется для производства электроэнергии. CST и CSP не взаимозаменяемы с точки зрения применения.
Огюстен Мушо продемонстрировал солнечный коллектор с охлаждающим двигателем для приготовления мороженого на Всемирной выставке 1878 года в Париже . Первая установка оборудования для солнечной тепловой энергии произошла в Сахаре примерно в 1910 году Фрэнком Шуманом , когда паровой двигатель работал на пару, вырабатываемом солнечным светом. Поскольку были разработаны жидкотопливные двигатели, которые оказались более удобными, проект Сахары был заброшен, но к нему пришлось вернуться несколько десятилетий спустя. [1] По состоянию на 2023 год крупнейшая в мире тепловая солнечная электростанция находится в Объединенных Арабских Эмиратах . [2]
Системы использования низкотемпературной солнечной тепловой энергии включают средства сбора тепла; обычно аккумулирование тепла, краткосрочное или межсезонное; и распределение внутри сооружения или сети централизованного теплоснабжения. В некоторых случаях одна функция может выполнять несколько функций (например, некоторые виды солнечных коллекторов также сохраняют тепло). Некоторые системы пассивны, другие активны (требуют для функционирования другой внешней энергии). [3]
Отопление является наиболее очевидным применением, но солнечное охлаждение может быть достигнуто для здания или для централизованного охлаждения с использованием абсорбционного или адсорбционного охладителя с тепловым приводом (теплового насоса) . Существует продуктивное совпадение: чем больше тепла от инсоляции, тем выше эффективность охлаждения. В 1878 году Огюст Мушо впервые применил солнечное охлаждение, производя лед с помощью солнечного парового двигателя, прикрепленного к холодильному устройству. [4]
В США на системы отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха ( HVAC ) приходится более 25% (4,75 ЭДж) энергии, используемой в коммерческих зданиях (50% в северных городах), и почти половина (10,1 ЭДж) потребляемой энергии. в жилых домах. [5] [6] Технологии солнечного отопления, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Самая популярная технология солнечного отопления для отопления зданий — это интегрированная в здание система сбора транспирируемого солнечного воздуха , которая подключается к оборудованию HVAC здания. По данным Ассоциации производителей солнечной энергии, по состоянию на 2015 год в Северной Америке эксплуатируется более 500 000 м 2 (5 000 000 квадратных футов) этих панелей.
В Европе с середины 1990-х годов было построено около 125 крупных гелиотермальных теплоцентралей, каждая из которых имела более 500 м 2 (5400 футов 2 ) солнечных коллекторов. Самые большие из них имеют площадь около 10 000 м 2 , мощность 7 МВт. Стоимость теплового и солнечного тепла составляет около 4 евроцентов/кВтч без субсидий. [7] Из них 40 имеют номинальную тепловую мощность 1 МВт и более. В программе солнечного централизованного теплоснабжения (SDH) участвуют 14 европейских стран и Европейская комиссия, она работает над техническим и рыночным развитием и проводит ежегодные конференции. [8]
Застекленные солнечные коллекторы предназначены в первую очередь для отопления помещений. Они рециркулируют воздух в здании через солнечную воздушную панель, где воздух нагревается, а затем направляется обратно в здание. Эти солнечные системы отопления помещений требуют как минимум двух проходов в здание и работают только тогда, когда воздух в солнечном коллекторе теплее температуры в помещении здания. Большинство застекленных коллекторов используется в жилом секторе.
.jpg/1280px-Canadair(compressed).jpg)
Неостекленные солнечные коллекторы в основном используются для предварительного нагрева приточного вентиляционного воздуха в коммерческих, промышленных и институциональных зданиях с высокой вентиляционной нагрузкой. Они превращают стены зданий или их части в недорогие, высокопроизводительные неглазурованные солнечные коллекторы. Также называемые «солнечными панелями» или « солнечной стеной », они используют окрашенный перфорированный металлический поглотитель солнечного тепла, который также служит поверхностью внешней стены здания. Передача тепла воздуху происходит на поверхности поглотителя, через металлический поглотитель и за поглотителем. Пограничный слой нагретого солнечным светом воздуха втягивается в близлежащую перфорацию, прежде чем тепло сможет уйти за счет конвекции в наружный воздух. Нагретый воздух затем втягивается из-за пластины абсорбера в систему вентиляции здания.
Стена Тромбе представляет собой пассивную солнечную систему отопления и вентиляции , состоящую из воздушного канала, зажатого между окном и обращенной к солнцу тепловой массой. Во время цикла вентиляции солнечный свет сохраняет тепло в тепловой массе и нагревает воздушный канал, вызывая циркуляцию воздуха через вентиляционные отверстия вверху и внизу стены. Во время цикла нагрева стена Тромба излучает накопленное тепло. [9]
Солнечные пруды на крыше для солнечного отопления и охлаждения были разработаны Гарольдом Хэем в 1960-х годах. Базовая система состоит из установленного на крыше резервуара для воды с подвижной изолирующей крышкой. Эта система может контролировать теплообмен между внутренней и внешней средой, закрывая и открывая мочевой пузырь днем и ночью. Когда возникает проблема с нагревом, мочевой пузырь в течение дня открывается, позволяя солнечному свету нагревать водяной пузырь и сохранять тепло для вечернего использования. Когда охлаждение вызывает беспокойство, закрытый баллон отбирает тепло из внутренней части здания в течение дня и открывается ночью, чтобы излучать тепло в более прохладную атмосферу. В доме Skytherm в Атаскадеро, штат Калифорния, для отопления и охлаждения используется прототип пруда на крыше. [10]
Солнечное отопление помещений с помощью солнечных воздушных коллекторов более популярно в США и Канаде, чем отопление с помощью солнечных жидкостных коллекторов, поскольку в большинстве зданий уже есть система вентиляции для отопления и охлаждения. Двумя основными типами солнечных панелей являются остекленные и неглазурованные.
Из 21 000 000 квадратных футов (2 000 000 м 2 ) солнечных тепловых коллекторов, произведенных в США в 2007 году, 16 000 000 квадратных футов (1 500 000 м 2 ) были низкотемпературными. [11] Низкотемпературные коллекторы обычно устанавливаются для обогрева плавательных бассейнов, хотя их также можно использовать для обогрева помещений. Коллекторы могут использовать воздух или воду в качестве среды для передачи тепла к месту назначения.
Комплекс зрелых технологий, называемый сезонным хранением тепловой энергии (STES), способен хранить тепло в течение нескольких месяцев, поэтому солнечное тепло, собранное в основном летом, может использоваться для круглогодичного отопления. Технология STES с солнечным питанием была развита в основном в Дании, [12], Германии, [13] и Канаде, [14] и применяется в отдельных зданиях и сетях централизованного теплоснабжения. Солнечное сообщество Drake Landing в Альберте, Канада, имеет небольшую районную систему и в 2012 году достигло мирового рекорда по обеспечению 97% годовых потребностей сообщества в отоплении помещений за счет солнца. [15] Теплоаккумулирующие среды СТСЭ включают глубокие водоносные горизонты; коренная порода, окружающая группы скважин малого диаметра, оборудованных теплообменниками; большие неглубокие ямы с облицовкой, заполненные гравием и изолированные сверху; и большие, изолированные и заглубленные поверхностные резервуары для воды.
Круглосуточное централизованное централизованное отопление также возможно с помощью аккумулирующей станции с концентрированной солнечной тепловой энергией (CST). [16]
Межсезонное хранение. Солнечное тепло (или тепло из других источников) может эффективно храниться между противоположными сезонами в водоносных горизонтах , подземных геологических слоях, больших специально построенных ямах и больших резервуарах, которые изолированы и покрыты землей.
Кратковременное хранение. Материалы с термической массой накапливают солнечную энергию в течение дня и выделяют эту энергию в более прохладные периоды. Обычные тепловые массовые материалы включают камень, бетон и воду. Пропорция и размещение тепловой массы должны учитывать несколько факторов, таких как климат, дневное освещение и условия затенения. При правильном использовании тепловая масса может пассивно поддерживать комфортную температуру, одновременно снижая потребление энергии.
К 2011 году во всем мире существовало около 750 систем охлаждения с тепловыми насосами, работающими на солнечной энергии, а ежегодный рост рынка составил от 40 до 70% за предыдущие семь лет. Это нишевый рынок, поскольку экономика сложная, а ограничивающим фактором является ежегодное количество часов охлаждения. Соответственно, годовые часы похолодания составляют примерно 1000 в Средиземноморье, 2500 в Юго-Восточной Азии и лишь от 50 до 200 в Центральной Европе. Однако в период с 2007 по 2011 год затраты на строительство системы упали примерно на 50%. Целевые группы Международного энергетического агентства (МЭА) по программе солнечного отопления и охлаждения (IEA-SHC) работают над дальнейшим развитием задействованных технологий. [17]
Солнечный дымоход (или тепловой дымоход) — это пассивная солнечная вентиляционная система , состоящая из полой тепловой массы, соединяющей внутреннюю и внешнюю часть здания. По мере нагревания дымохода воздух внутри нагревается, вызывая восходящий поток , который протягивает воздух через здание. Эти системы использовались со времен Римской империи и по-прежнему распространены на Ближнем Востоке.
Солнечные системы технологического отопления предназначены для обеспечения больших объемов горячей воды или отопления нежилых зданий. [18]
Пруды-испарители — это мелкие пруды, в которых растворенные твердые вещества концентрируются путем испарения . Использование прудов-испарителей для получения соли из морской воды является одним из старейших применений солнечной энергии. Современное использование включает концентрирование соляных растворов, используемых при выщелачивании, и удаление растворенных твердых веществ из потоков отходов. В целом, пруды-испарители представляют собой одно из крупнейших коммерческих применений солнечной энергии, используемых сегодня. [19]
Неглазурованные транспирированные коллекторы представляют собой перфорированные, обращенные к солнцу стены, используемые для предварительного подогрева приточного воздуха. Транспирированные коллекторы также могут быть установлены на крыше для круглогодичного использования и могут повышать температуру входящего воздуха до 22 °C и обеспечивать температуру на выходе 45–60 °C. Короткий срок окупаемости транспирированных коллекторов (от 3 до 12 лет) делает их более экономичной альтернативой застекленным коллекторным системам. По состоянию на 2015 год по всему миру было установлено более 4000 систем с общей площадью коллекторов 500 000 м² . В число представителей входят коллектор площадью 860 м 2 в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен, и коллектор площадью 1300 м 2 в Коимбаторе, Индия, используемый для сушки бархатцев. [20] [21]
На предприятии пищевой промышленности в Модесто, Калифорния, используются параболические желоба для производства пара, используемого в производственном процессе. Ожидается, что площадь коллектора площадью 5000 м 2 будет обеспечивать 15 ТДж в год. [22]
Эти коллекторы можно использовать для производства примерно 50% и более горячей воды, необходимой для жилых и коммерческих нужд в США. [23] В Соединенных Штатах типичная система стоит 4000–6000 долларов США в розницу (от 1400 до 2200 долларов США оптом за материалы), и 30% системы имеют право на федеральную налоговую льготу + дополнительная скидка штата существует примерно в половине штатов. Монтаж простой системы с открытым контуром в южном климате может занять 3–5 часов, а в северных районах — 4–6 часов. Северная система требует большей площади коллектора и более сложной сантехники для защиты коллектора от замерзания. При таком стимуле срок окупаемости для типичного домохозяйства составляет от четырех до девяти лет, в зависимости от штата. Подобные субсидии существуют в некоторых частях Европы. Бригада из одного сантехника и двух помощников с минимальной подготовкой может установить систему за день. Установка термосифона требует незначительных затрат на техническое обслуживание (затраты возрастают, если для циркуляции используются антифриз и электроэнергия), а в США снижаются эксплуатационные расходы домохозяйства на 6 долларов на человека в месяц. Солнечное нагревание воды может снизить выбросы CO 2 семьей из четырех человек на 1 тонну в год (при замене природного газа) или на 3 тонны в год (при замене электричества). [24] В среднетемпературных установках может использоваться любая из нескольких конструкций: распространенными являются гликолевые системы под давлением, обратный слив, периодические системы и новые, устойчивые к замерзанию системы низкого давления с использованием полимерных труб, содержащих воду, с фотоэлектрической накачкой. Европейские и международные стандарты пересматриваются с целью внедрения инноваций в конструкцию и эксплуатацию среднетемпературных коллекторов. Эксплуатационные инновации включают работу в режиме «постоянно смоченного коллектора». Это нововведение уменьшает или даже устраняет возникновение высокотемпературных напряжений при отсутствии потока, называемых застоем, которые в противном случае сократили бы срок службы коллекторов.
Солнечная тепловая энергия может быть полезна для сушки древесины для строительства и древесного топлива, такого как древесная щепа, для сжигания. Солнечная энергия также используется для пищевых продуктов, таких как фрукты, зерно и рыба. Сушка урожая с помощью солнечной энергии является экологически чистой и экономически эффективной, одновременно улучшая качество. Чем меньше денег требуется на производство продукта, тем дешевле его можно будет продать, что доставит удовольствие как покупателям, так и продавцам. Технологии солнечной сушки включают сверхдешевые перекачиваемые пластинчатые воздухоуловители на основе черных тканей. Солнечная тепловая энергия полезна в процессе сушки таких продуктов, как древесная щепа и другие виды биомассы, повышая температуру и одновременно позволяя воздуху проходить и избавляться от влаги. [25]
Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризации . Приготовление пищи на солнечной энергии компенсирует затраты на топливо, снижает потребность в топливе или дровах и улучшает качество воздуха за счет уменьшения или устранения источника дыма.
Самый простой тип солнечной плиты — это коробчатая плита, впервые построенная Орасом де Соссюром в 1767 году. Базовая коробчатая плита состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Эти плиты можно эффективно использовать при частично пасмурной погоде, и их температура обычно достигает 50–100 °C. [26] [27]
В концентрирующих солнечных плитах используются отражатели для концентрации солнечной энергии на емкости для приготовления пищи. Наиболее распространенными геометриями отражателей являются плоская пластина, диск и параболический желоб. Эти конструкции готовятся быстрее и при более высоких температурах (до 350 °C), но для правильной работы требуется прямой свет.
Солнечная кухня в Ауровиле , Индия, использует уникальную концентрирующую технологию, известную как солнечная чаша . В отличие от традиционных систем следящего отражателя/фиксированного приемника, в солнечной чаше используется фиксированный сферический отражатель с приемником, который отслеживает фокус света по мере движения Солнца по небу. Приемник солнечной чаши достигает температуры 150 °C, которая используется для производства пара, который помогает готовить 2000 блюд в день. [28]
Многие другие солнечные кухни в Индии используют еще одну уникальную концентрирующую технологию, известную как отражатель Шеффлера. Эта технология была впервые разработана Вольфгангом Шеффлером в 1986 году. Рефлектор Шеффлера представляет собой параболическую антенну, которая использует одноосное отслеживание для отслеживания ежедневного курса Солнца. Эти отражатели имеют гибкую отражающую поверхность, которая способна менять свою кривизну, чтобы приспособиться к сезонным изменениям угла падения солнечного света. Преимущество отражателей Scheffler заключается в том, что они имеют фиксированную фокусную точку, что упрощает приготовление пищи и позволяет достигать температур 450–650 °C. [29] Построенная в 1999 году компанией Brahma Kumaris , крупнейшей в мире рефлекторной системой Шеффлера на Абу-Роуд, Раджастхан, Индия, способна готовить до 35 000 блюд в день. [30] К началу 2008 года во всем мире было построено более 2000 больших плит конструкции Шеффлера.
Солнечные дистилляторы можно использовать для приготовления питьевой воды в районах, где чистая вода не является обычным явлением. В таких ситуациях необходима солнечная дистилляция, чтобы обеспечить людей очищенной водой. Солнечная энергия нагревает воду в кубе. Затем вода испаряется и конденсируется на дне покровного стекла. [25]
Доктор Линь Чжао из Массачусетского технологического института опубликовал рецензируемый академический журнал в журнале «Джоуль» , в котором подробно описывается конструкция солнечного автоклава для стерилизации хирургических инструментов без электричества. [31]
Прототип, в состав которого входит недорогой аэрогель, был успешно продемонстрирован в больнице Мумбаи совместно с IIT Bombay , Индийским технологическим институтом . [32]
Там, где температура ниже примерно 95 °C достаточна, например, для отопления помещений, обычно используются плоские коллекторы неконцентрирующего типа. Из-за относительно высоких потерь тепла через остекление плоские коллекторы не достигают температуры намного выше 200 °C, даже если теплоноситель находится в застойном состоянии. Такие температуры слишком низки для эффективного преобразования в электричество.
КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением температуры источника тепла. Чтобы добиться этого на солнечных теплоэлектростанциях, солнечное излучение концентрируется зеркалами или линзами для получения более высоких температур – метод, называемый концентрированной солнечной энергией (CSP). Практический эффект от высокой эффективности заключается в уменьшении размера коллектора электростанции и общего использования земли на единицу вырабатываемой электроэнергии, что снижает воздействие электростанции на окружающую среду, а также ее затраты.
По мере повышения температуры становятся практичными различные формы преобразования. До 600 °C паровые турбины стандартной технологии имеют КПД до 41%. При температуре выше 600 °C газовые турбины могут быть более эффективными. Более высокие температуры проблематичны, поскольку необходимы другие материалы и методы. Одним из предложений для очень высоких температур является использование жидких фторидных солей, работающих при температуре от 700 ° C до 800 ° C, с использованием многоступенчатых турбинных систем для достижения теплового КПД 50% или более. [33] Более высокие рабочие температуры позволяют станции использовать более высокотемпературные сухие теплообменники для теплового выхлопа, сокращая потребление воды на станции, что имеет решающее значение в пустынях, где практичны большие солнечные электростанции. Высокие температуры также повышают эффективность хранения тепла, поскольку на единицу жидкости сохраняется больше ватт-часов.
Коммерческие концентрационные солнечные тепловые электростанции (CSP) были впервые разработаны в 1980-х годах. Крупнейшими в мире солнечными тепловыми электростанциями в настоящее время являются солнечная электростанция Ivanpah мощностью 370 МВт , введенная в эксплуатацию в 2014 году, и установка SEGS CSP мощностью 354 МВт, расположенные в пустыне Мохаве в Калифорнии, где также было реализовано несколько других солнечных проектов .
Основным преимуществом CSP является возможность эффективного добавления тепла, что позволяет распределять электроэнергию в течение 24 часов. Поскольку пиковый спрос на электроэнергию обычно приходится на период с 16 до 20 часов, [34] многие электростанции CSP используют от 3 до 5 часов хранения тепла. Благодаря современным технологиям хранение тепла обходится намного дешевле и эффективнее, чем хранение электроэнергии. Таким образом, станция CSP может производить электроэнергию днем и ночью. Если на площадке CSP будет предсказуемая солнечная радиация, то станция CSP станет надежной электростанцией. Надежность можно дополнительно повысить за счет установки резервной системы сгорания. Резервная система может использовать большую часть мощности CSP, что снижает стоимость резервной системы.
Учитывая надежность, неиспользованную пустыню, отсутствие загрязнения и отсутствие затрат на топливо, препятствиями для масштабного развертывания CSP являются стоимость, эстетика, землепользование и аналогичные факторы для необходимых соединительных линий высокого напряжения. Хотя для удовлетворения глобального спроса на электроэнергию необходим лишь небольшой процент пустыни, все же большая площадь должна быть покрыта зеркалами или линзами, чтобы получить значительное количество энергии. Важным способом снижения стоимости является использование простой конструкции.
При рассмотрении воздействия землепользования, связанного с разведкой и добычей, а также транспортировкой и переработкой ископаемого топлива , которое используется для производства большей части нашей электроэнергии, солнечная энергия коммунального масштаба считается одним из наиболее экономичных доступных энергетических ресурсов: [35] ]
Федеральное правительство выделило почти в 2000 раз больше площадей под аренду нефти и газа, чем под развитие солнечной энергии. В 2010 году Бюро землеустройства одобрило девять крупномасштабных проектов использования солнечной энергии общей мощностью 3682 мегаватт, что составляет около 40 000 акров. Напротив, в 2010 году Бюро землеустройства обработало более 5200 заявок на аренду газа и нефти и выдало 1308 договоров аренды на общую площадь 3,2 миллиона акров. В настоящее время 38,2 миллиона акров прибрежных государственных земель и еще 36,9 миллиона акров разведочных шельфовых земель в Мексиканском заливе находятся в аренде для разработки, разведки и добычи нефти и газа. [35] [ не удалось проверить ]
В течение дня солнце занимает разные положения. Для систем с низкой концентрацией (и низкими температурами) отслеживания можно избежать (или ограничить несколькими позициями в год), если использовать оптику, не создающую изображения . [36] [37] Однако при более высоких концентрациях, если зеркала или линзы не двигаются, фокус зеркал или линз меняется. Требуется система слежения, которая отслеживает положение солнца. Система отслеживания увеличивает стоимость и сложность. Учитывая это, можно выделить разные конструкции по тому, как они концентрируют свет и отслеживают положение солнца.
На электростанциях с параболическим желобом используется изогнутый зеркальный желоб, который отражает прямое солнечное излучение на стеклянную трубку, содержащую жидкость (также называемую приемником, поглотителем или коллектором), протекающую по всей длине желоба и расположенную в фокусе отражателей. Желоб параболический по одной оси и линейный по ортогональной оси. Для изменения дневного положения Солнца перпендикулярно приемнику желоб наклоняется с востока на запад, так что прямое излучение остается сосредоточенным на приемнике. Однако сезонные изменения угла падения солнечных лучей параллельно корыту не требуют регулировки зеркал, поскольку свет просто концентрируется в другом месте приемника. Таким образом, конструкция желоба не требует отслеживания по второй оси. Приемник может быть заключен в стеклянную вакуумную камеру. Вакуум значительно снижает конвективные потери тепла.
Жидкость (также называемая теплоносителем) проходит через ресивер и становится очень горячей. Обычными жидкостями являются синтетическое масло, расплавленная соль и пар под давлением. Жидкость, содержащая тепло, транспортируется к тепловому двигателю , где около трети тепла преобразуется в электричество.
Полномасштабные системы параболических желобов состоят из множества таких желобов, расположенных параллельно на большой территории. С 1985 года солнечная тепловая система, использующая этот принцип, полностью работает в Калифорнии , США . Это называется системой производства солнечной энергии (SEGS). [38] В других конструкциях CSP отсутствует такой многолетний опыт, и поэтому в настоящее время можно сказать, что конструкция с параболическим желобом является наиболее тщательно проверенной технологией CSP.
SEGS представляет собой совокупность девяти электростанций общей мощностью 354 МВт и на протяжении многих лет является крупнейшей в мире солнечной электростанцией, как тепловой, так и нетепловой. Более новая станция — Nevada Solar One мощностью 64 МВт. Солнечные электростанции Andasol мощностью 150 МВт находятся в Испании, мощность каждой из которых составляет 50 МВт. Однако обратите внимание, что эти электростанции имеют накопители тепла, что требует большего количества солнечных коллекторов по сравнению с размером паровой турбины-генератора для хранения тепла и одновременной отправки тепла в паровую турбину. Аккумулирование тепла позволяет лучше использовать паровую турбину. При дневной и частичной ночной работе паровой турбины Andasol 1 с пиковой мощностью 50 МВт производится больше энергии, чем Nevada Solar One с пиковой мощностью 64 МВт, благодаря системе хранения тепловой энергии бывшей электростанции и более крупному солнечному полю. Электростанция Солана мощностью 280 МВт была введена в эксплуатацию в Аризоне в 2013 году с 6-часовым запасом энергии. Интегрированная солнечная электростанция комбинированного цикла Хасси Р'Мел в Алжире и Центр солнечной энергии Мартина следующего поколения используют параболические желоба в комбинированном цикле с природным газом.
Закрытая архитектура желоба инкапсулирует солнечную тепловую систему в теплице, похожей на теплицу. Теплица создает защищенную среду, способную противостоять элементам, которые могут отрицательно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы. [39]
Внутри конструкции теплицы подвешены легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечные лучи. Одноосная система слежения позиционирует зеркала так, чтобы отслеживать солнце и фокусировать его свет на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. [40] Пар генерируется напрямую с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода течет из впускного отверстия по всей длине труб, без теплообменников или промежуточных рабочих жидкостей.
Произведенный пар затем подается непосредственно в существующую парораспределительную сеть месторождения, где пар непрерывно закачивается глубоко в нефтяной пласт. Защита зеркал от ветра позволяет им достигать более высоких температур и предотвращает скопление пыли в результате воздействия влаги. [39] GlassPoint Solar , компания, создавшая конструкцию закрытого желоба, заявляет, что ее технология может производить тепло для повышения нефтеотдачи по цене около 5 долларов за миллион британских тепловых единиц в солнечных регионах по сравнению с 10–12 долларами для других традиционных солнечных тепловых технологий. [41]
Система закрытых желобов GlassPoint использовалась на предприятии Мираа в Омане , а недавно было объявлено о новом проекте компании по внедрению технологии закрытых желобов на нефтяное месторождение Саут-Белридж , недалеко от Бейкерсфилда, Калифорния . [42]
Энергетические башни (также известные как электростанции «центральная башня» или электростанции « гелиостаты ») улавливают и фокусируют тепловую энергию Солнца с помощью тысяч следящих зеркал (называемых гелиостатами) на площади примерно в две квадратных мили. В центре гелиостатного поля находится башня. Гелиостаты фокусируют концентрированный солнечный свет на приемнике, расположенном на вершине башни. Внутри приемника концентрированный солнечный свет нагревает расплавленную соль до температуры более 1000 °F (538 °C). Нагретая расплавленная соль затем поступает в термоаккумулятор, где она хранится, поддерживая тепловой КПД 98% , и в конечном итоге перекачивается в парогенератор. Пар приводит в движение стандартную турбину для выработки электроэнергии. Этот процесс, также известный как « цикл Ренкина », аналогичен стандартной угольной электростанции, за исключением того, что он питается солнечной энергией.
Преимущество этой конструкции перед конструкцией с параболическим желобом заключается в более высокой температуре. Тепловая энергия при более высоких температурах может более эффективно преобразовываться в электричество и дешевле храниться для последующего использования. Кроме того, меньше необходимости выравнивать земельный участок. В принципе, электроэнергетическую башню можно построить на склоне холма. Зеркала могут быть плоскими, а сантехника сосредоточена в башне. Недостаток заключается в том, что каждое зеркало должно иметь собственное двухосное управление, в то время как в конструкции с параболическим желобом отслеживание одной оси может быть общим для большого количества зеркал.
Сравнение стоимости/производительности между электробашней и концентраторами с параболическими желобами было проведено NREL, которое подсчитало, что к 2020 году электроэнергия может производиться на электростанциях по цене 5,47 цента/кВтч и по 6,21 цента/кВтч из параболических желобов. Коэффициент мощности для опор электропередач оценивался в 72,9% и 56,2% для параболических желобов. [43] Есть некоторая надежда, что разработка дешевых, надежных и массово производимых компонентов гелиостатной электростанции может снизить эту стоимость. [44]
Первой коммерческой башенной электростанцией стала PS10 в Испании мощностью 11 МВт, построенная в 2007 году. С тех пор было предложено несколько станций, несколько построено в ряде стран (Испания, Германия, США, Турция, Китай). , Индия), но несколько предложенных заводов были отменены из-за резкого падения цен на фотоэлектрическую солнечную энергию. Солнечная электростанция была введена в эксплуатацию в Южной Африке в 2016 году. [45] Солнечная электростанция Иванпа в Калифорнии вырабатывает 392 МВт электроэнергии с помощью трех вышек, что делает ее крупнейшей солнечной электростанцией с башней на момент ее ввода в эксплуатацию в конце 2013 года.
В системе Стирлинга используется большая отражающая параболическая антенна (по форме похожая на тарелку спутникового телевидения). Он фокусирует весь солнечный свет, падающий на тарелку, в одну точку над тарелкой, где приемник улавливает тепло и преобразует его в полезную форму. Обычно тарелка соединяется с двигателем Стирлинга в системе тарелки-Стирлинга, но иногда используется паровой двигатель . [46] Они создают вращательную кинетическую энергию, которую можно преобразовать в электричество с помощью электрического генератора. [47]
В 2005 году компания Southern California Edison объявила о соглашении о покупке двигателей Стирлинга на солнечных батареях у Stirling Energy Systems в течение двадцати лет и в количествах (20 000 единиц), достаточных для выработки 500 мегаватт электроэнергии. В январе 2010 года компании Stirling Energy Systems и Tessera Solar ввели в эксплуатацию первую демонстрационную электростанцию мощностью 1,5 мегаватт («Maricopa Solar») с использованием технологии Стирлинга в Пеории, штат Аризона. [48] В начале 2011 года подразделение Stirling Energy, Tessera Solar, продало два своих крупных проекта, проект Imperial мощностью 709 МВт и проект Calico мощностью 850 МВт, компаниям AES Solar и K.Road соответственно. [49] [50] В 2012 году завод в Марикопе был куплен и демонтирован компанией United Sun Systems . [51] United Sun Systems выпустила систему нового поколения , основанную на V-образном двигателе Стирлинга и пиковой мощностью 33 кВт. Новая технология CSP-Stirling снижает LCOE до 0,02 доллара США в масштабе коммунальных услуг. [ нужна цитата ]
По словам ее разработчика, шведской фирмы Rispasso Energy, в 2015 году ее система Dish Sterling, проходившая испытания в пустыне Калахари в Южной Африке, показала эффективность 34%. [52]
В силовой установке с линейным отражателем Френеля используется серия длинных, узких зеркал малой кривизны (или даже плоских) для фокусировки света на один или несколько линейных приемников, расположенных над зеркалами. Сверху приемника можно прикрепить небольшое параболическое зеркало для дальнейшей фокусировки света. Эти системы призваны снизить общие затраты за счет совместного использования приемника между несколькими зеркалами (по сравнению с концепциями желоба и тарелки), при этом используя простую геометрию линейного фокуса с одной осью для отслеживания. Это похоже на конструкцию желоба (и отличается от центральных башен и тарелок с двухосным расположением). Ресивер стационарный, поэтому гидромуфты не требуются (как в корытах и посудах). Зеркалам также не нужно поддерживать приемник, поэтому они конструктивно проще. Когда используются подходящие стратегии наведения (зеркала, направленные на разные приемники в разное время суток), это может позволить более плотно разместить зеркала на доступной территории.
Конкурирующие технологии одноосного слежения включают относительно новые технологии линейного отражателя Френеля (LFR) и компактного LFR (CLFR). ЛФС отличается от параболического желоба тем, что поглотитель закреплен в пространстве над зеркальным полем. Кроме того, отражатель состоит из множества сегментов нижних рядов, которые вместе фокусируются на приподнятом длинном приемнике башни, идущем параллельно оси вращения отражателя. [53]
Прототипы концентраторов с линзами Френеля для сбора тепловой энергии были изготовлены компанией International Automated Systems . [54] Полномасштабные тепловые системы с использованием линз Френеля, как известно, не работают, хотя продукты, включающие линзы Френеля в сочетании с фотоэлектрическими элементами, уже доступны. [55]
MicroCSP используется на общественных электростанциях (от 1 МВт до 50 МВт), в промышленности, сельском хозяйстве и производстве, где используется технологическое тепло, а также когда требуется большое количество горячей воды, например, в курортных бассейнах, аквапарках, больших прачечных. объектов, стерилизации, дистилляции и других подобных видов применения.
Тепло в солнечной тепловой системе регулируется пятью основными принципами: приток тепла; теплопередача ; аккумулирование тепла ; теплотранспорт ; и теплоизоляция . [56] Здесь тепло является мерой количества тепловой энергии, содержащейся в объекте, и определяется температурой, массой и удельной теплоемкостью объекта. Солнечные тепловые электростанции для обеспечения теплообмена используют теплообменники, рассчитанные на постоянные условия работы. Медные теплообменники важны в системах солнечного теплового отопления и охлаждения из-за высокой теплопроводности меди, устойчивости к атмосферной и водной коррозии, герметизации и соединения пайкой, а также механической прочности. Медь используется как в ресиверах, так и в первичных контурах (трубах и теплообменниках резервуаров для воды) солнечных термальных водных систем. [57]
Приток тепла – это тепло, накопленное от солнца в системе. Солнечное тепло улавливается с помощью парникового эффекта ; парниковый эффект в данном случае — это способность отражающей поверхности пропускать коротковолновое излучение и отражать длинноволновое излучение. Тепло и инфракрасное излучение (ИК) образуются, когда свет коротковолнового излучения попадает на пластину поглотителя, который затем задерживается внутри коллектора. Жидкость, обычно вода, в трубках абсорбера собирает уловленное тепло и передает его в хранилище тепла.
Тепло передается либо за счет проводимости, либо за счет конвекции. Когда вода нагревается, кинетическая энергия передается за счет проводимости молекулам воды по всей среде. Эти молекулы распространяют свою тепловую энергию за счет проводимости и занимают больше места, чем холодные медленно движущиеся молекулы над ними. Распределение энергии от поднимающейся горячей воды к опускающейся холодной воде способствует процессу конвекции. Тепло передается от поглотительных пластин коллектора в жидкость за счет проводимости. Коллекторная жидкость циркулирует по несущим трубам в теплообменную камеру. Внутри хранилища тепло передается по среде посредством конвекции.
Хранение тепла позволяет солнечным теплостанциям производить электроэнергию в часы отсутствия солнечного света. Тепло передается теплоносителю в изолированном резервуаре в часы солнечного света и забирается для выработки электроэнергии в часы отсутствия солнечного света. Носители тепла будут обсуждаться в разделе, посвященном аккумулированию тепла. Скорость теплопередачи зависит от проводящей и конвекционной среды, а также от разницы температур. Тела с большой разницей температур передают тепло быстрее, чем тела с меньшей разницей температур.
Перенос тепла относится к деятельности, при которой тепло от солнечного коллектора транспортируется в хранилище тепла. Теплоизоляция жизненно важна как для трубок для передачи тепла, так и для хранилища. Это предотвращает потерю тепла, которая, в свою очередь, связана с потерями энергии или снижением эффективности системы.
Аккумулирование тепла позволяет солнечной тепловой электростанции производить электроэнергию ночью и в пасмурные дни. Это позволяет использовать солнечную энергию для выработки базовой нагрузки , а также для пиковой выработки электроэнергии , с потенциалом замены электростанций, работающих на угле и природном газе. Кроме того, повышается коэффициент использования генератора, что снижает стоимость. Даже краткосрочное хранение может помочь, сгладив « уточную кривую » быстрого изменения потребностей в выработке электроэнергии на закате, когда в энергосистеме имеется большое количество солнечной энергии.
Днем тепло передается теплоносителю в изолированном резервуаре, а ночью отводится для выработки электроэнергии. В число теплоносителей входят пар под давлением, бетон, различные материалы с фазовым переходом и расплавленные соли , такие как нитрат кальция, натрия и калия. [58] [59]
Солнечная энергетическая башня PS10 сохраняет тепло в резервуарах в виде пара под давлением при давлении 50 бар и температуре 285 °C. Пар конденсируется и снова превращается в пар при понижении давления. Хранение - один час. Предполагается, что возможно более длительное хранение, но это не было доказано на существующей электростанции. [60]
Расплавленная соль используется для транспортировки тепла в системах солнечных электростанций, поскольку она является жидкой при атмосферном давлении, обеспечивает недорогую среду для хранения тепловой энергии, ее рабочие температуры совместимы с современными паровыми турбинами, а также он негорюч и нетоксичен. Расплавленная соль также используется в химической и металлургической промышленности для транспортировки тепла.
Первая коммерческая смесь расплавленных солей представляла собой обычную форму селитры , 60% нитрата натрия и 40% нитрата калия . Селитра плавится при 220 °C (430 °F) и остается жидкой при температуре 290 °C (550 °F) в изолированном резервуаре для хранения. Нитрат кальция может снизить температуру плавления до 131 ° C, что позволяет извлечь больше энергии до того, как соль замерзнет. В настоящее время существует несколько технических марок нитрата кальция, стабильных при температуре более 500 °C.
Эта солнечная энергосистема может генерировать электроэнергию в пасмурную погоду или ночью, используя тепло резервуара с горячей солью. Резервуары утеплены, способны сохранять тепло в течение недели. Резервуары, которые будут питать турбину мощностью 100 мегаватт в течение четырех часов, будут иметь высоту около 9 м (30 футов) и диаметр 24 м (80 футов).
Электростанция Андасоль в Испании — первая коммерческая солнечная тепловая электростанция, использующая расплавленную соль для хранения тепла и выработки электроэнергии в ночное время. Она была запущена в эксплуатацию в марте 2009 года. [62] 4 июля 2011 года испанская компания отпраздновала исторический момент для солнечной промышленности: концентрационная солнечная электростанция Torresol мощностью 19,9 МВт стала первой в мире, которая непрерывно производила электроэнергию в течение 24 часов подряд, используя аккумулирующее тепло расплавленной соли. [63]
В январе 2019 года фототермическая электростанция Shouhang Energy Saving Dunhuang мощностью 100 МВт с башней из расплавленной соли была подключена к сети и начала работу. Его конфигурация включает в себя 11-часовую систему хранения тепла с расплавленной солью и может последовательно вырабатывать электроэнергию в течение 24 часов. [64]
Материалы с фазовым переходом (PCM) предлагают альтернативное решение для хранения энергии. [65] Используя аналогичную инфраструктуру теплопередачи, PCM могут стать более эффективным средством хранения. ПКМ могут быть как органическими, так и неорганическими материалами. Преимущества органических ПКМ включают отсутствие коррозионного воздействия, низкое переохлаждение или отсутствие переохлаждения, а также химическую и термическую стабильность. К недостаткам относятся низкая энтальпия фазового перехода, низкая теплопроводность и воспламеняемость. Неорганические соединения имеют преимущество в виде более высокой энтальпии фазового перехода, но имеют недостатки, связанные с переохлаждением, коррозией, разделением фаз и отсутствием термической стабильности. Более высокая энтальпия фазового перехода в неорганических PCM делает гидратные соли сильным кандидатом в области хранения солнечной энергии. [66]
Проект, требующий воды для конденсации или охлаждения, может противоречить размещению солнечных тепловых электростанций в пустынных районах с хорошей солнечной радиацией, но ограниченными водными ресурсами. Конфликт иллюстрируется планами немецкой компании Solar Millennium построить завод в долине Амаргоса в Неваде, для которого потребуется 20% воды, доступной в этом районе. Некоторые другие проектируемые заводы той же и других компаний в пустыне Мохаве в Калифорнии также могут пострадать от трудностей с получением адекватных и соответствующих прав на воду. Закон штата Калифорния о воде в настоящее время запрещает использование питьевой воды для охлаждения. [67]
Другие конструкции требуют меньше воды. Солнечная электростанция Иванпа на юго-востоке Калифорнии экономит дефицитную воду пустыни, используя воздушное охлаждение для преобразования пара обратно в воду. По сравнению с традиционным влажным охлаждением это приводит к снижению потребления воды на 90% за счет некоторой потери эффективности. Затем вода возвращается в котел в закрытом процессе, который является экологически чистым. [68]
Из всех этих технологий солнечная антенна/двигатель Стирлинга имеет самую высокую энергоэффективность . Одиночная солнечная антенна — двигатель Стирлинга , установленный в Национальном испытательном центре солнечной тепловой энергии Sandia National Laboratories (NSTTF) , производит до 25 кВт электроэнергии с эффективностью преобразования 31,25%. [69]
Солнечные параболические электростанции были построены с КПД около 20%. [ нужна цитация ] Отражатели Френеля имеют немного меньшую эффективность (но это компенсируется более плотной упаковкой).
Общий КПД преобразования (принимая во внимание, что солнечные тарелки или желоба занимают лишь часть общей площади электростанции) определяется чистой генерирующей мощностью по солнечной энергии, которая приходится на общую площадь солнечной электростанции. Электростанция SCE/SES мощностью 500 мегаватт (МВт) будет извлекать около 2,75% радиации (1 кВт/м²; обсуждение см. в разделе «Солнечная энергия »), которая падает на ее 4500 акров (18,2 км²). [70] Для строящейся в Испании электростанции AndaSol мощностью 50 МВт [71] (общая площадь 1300×1500 м = 1,95 км²) валовой КПД преобразования составляет 2,6%.
Эффективность не связана напрямую со стоимостью: общая стоимость включает в себя стоимость строительства и обслуживания.
34% солнечной энергии, попадающей на зеркала, преобразуется непосредственно в электроэнергию, доступную в сети.
