Компактный линейный отражатель Френеля ( CLFR ) – также называемый концентрирующим линейным отражателем Френеля – это особый тип технологии линейного отражателя Френеля ( LFR ). Они получили свое название из-за сходства с линзой Френеля , в которой множество маленьких тонких фрагментов линзы объединены для имитации гораздо более толстой простой линзы. Эти зеркала способны концентрировать энергию солнца примерно в 30 раз больше ее нормальной интенсивности . [1]
Линейные отражатели Френеля используют длинные, тонкие сегменты зеркал для фокусировки солнечного света на фиксированном поглотителе, расположенном в общей фокусной точке отражателей. Эта концентрированная энергия передается через поглотитель в некоторую термальную жидкость (обычно это масло, способное сохранять жидкое состояние при очень высоких температурах). Затем жидкость проходит через теплообменник для питания парогенератора . В отличие от традиционных LFR, CLFR использует несколько поглотителей в непосредственной близости от зеркал.
Первая линейная система солнечной энергии с отражателем Френеля была разработана в Италии в 1961 году Джованни Франча из Университета Генуи . [2] Франча продемонстрировал, что такая система может создавать повышенные температуры, способные заставить жидкость выполнять работу. Технология была дополнительно исследована такими компаниями, как FMC Corporation, во время нефтяного кризиса 1973 года , но оставалась относительно нетронутой до начала 1990-х годов. [1] В 1993 году в Университете Сиднея был разработан первый CLFR , запатентованный в 1995 году. В 1999 году конструкция CLFR была улучшена за счет введения усовершенствованного поглотителя. [2] В 2003 году концепция была расширена до трехмерной геометрии. [3] Исследование, опубликованное в 2010 году, показало, что более высокие концентрации и/или более высокие углы приема могут быть получены с помощью невизуализирующей оптики [4] для исследования различных степеней свободы в системе, таких как изменение размера и кривизны гелиостатов , размещение их на различной высоте (на волнообразной кривой) и объединение полученных первичных с невизуализирующими вторичными. [5]
Рефлекторы расположены в основании системы и собирают солнечные лучи в поглотителе. Ключевым компонентом, который делает все LFR более выгодными, чем традиционные системы параболических зеркал, является использование «рефлекторов Френеля». Эти рефлекторы используют эффект линзы Френеля , который позволяет использовать концентрирующее зеркало с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием , одновременно уменьшая объем материала, необходимого для рефлектора. Это значительно снижает стоимость системы, поскольку параболические рефлекторы с провисающим стеклом обычно очень дороги. [2] Однако в последние годы тонкопленочные нанотехнологии значительно снизили стоимость параболических зеркал. [6]
Основная проблема, которую необходимо решать в любой технологии концентрации солнечной энергии, — это изменение угла падения лучей (лучей солнечного света, падающих на зеркала) по мере продвижения солнца в течение дня. Отражатели CLFR обычно выровнены в направлении север-юг и поворачиваются вокруг одной оси с использованием управляемой компьютером системы слежения за солнцем . [7] Это позволяет системе поддерживать правильный угол падения между солнечными лучами и зеркалами, тем самым оптимизируя передачу энергии.
Поглотитель расположен на фокальной линии зеркал. Он проходит параллельно и над сегментами отражателя, чтобы переносить излучение в некоторую рабочую термальную жидкость. Базовая конструкция поглотителя для системы CLFR представляет собой перевернутую воздушную полость со стеклянной крышкой, охватывающей изолированные паровые трубки, показанную на рис. 2. Было показано, что эта конструкция проста и экономически эффективна, с хорошими оптическими и тепловыми характеристиками. [1]
Для оптимальной работы CLFR необходимо оптимизировать несколько конструктивных факторов поглотителя.
В отличие от традиционного LFR, CLFR использует несколько поглотителей в непосредственной близости от своих зеркал. Эти дополнительные поглотители позволяют зеркалам менять свой наклон, как показано на рис. 3. Такое расположение выгодно по нескольким причинам.
Areva Solar (Ausra) построила линейную установку с отражателями Френеля в Новом Южном Уэльсе, Австралия. Первоначально тестовая установка мощностью 1 МВт в 2005 году была расширена до 5 МВт в 2006 году. Эта установка с отражателями дополнила угольную электростанцию Liddell мощностью 2000 МВт. [9] Энергия, вырабатываемая солнечной тепловой паровой системой, используется для обеспечения электроэнергией работы станции, компенсируя внутреннее потребление энергии станцией. AREVA Solar построила солнечную тепловую электростанцию Kimberlina мощностью 5 МВт в Бейкерсфилде, Калифорния, в 2009 году. [10] Это первая коммерческая установка с линейными отражателями Френеля в Соединенных Штатах. Солнечные коллекторы были произведены на заводе Ausra в Лас-Вегасе. В апреле 2008 года AREVA открыла большой завод в Лас-Вегасе, штат Невада, для производства линейных отражателей Френеля. [11] Планировалось, что завод сможет производить достаточно солнечных коллекторов, чтобы обеспечить 200 МВт электроэнергии в месяц. [10]
В марте 2009 года немецкая компания Novatec Biosol построила солнечную электростанцию Френеля, известную как PE 1. Солнечная тепловая электростанция использует стандартную линейную оптическую конструкцию Френеля (не CLFR) и имеет электрическую мощность 1,4 МВт. PE 1 включает в себя солнечный котел с зеркальной поверхностью приблизительно 18 000 м 2 (1,8 га; 4,4 акра). [12] Пар вырабатывается путем концентрации солнечного света непосредственно на линейный приемник, который находится на высоте 7,40 метров (24,28 фута) над землей. [12] Поглотительная трубка расположена в фокальной линии зеркального поля; вода нагревается до насыщенного пара 270 °C (543 K; 518 °F). Этот пар, в свою очередь, питает генератор. [12] Коммерческий успех PE 1 побудил Novatec Solar разработать солнечную электростанцию мощностью 30 МВт, известную как PE 2. PE 2 находится в коммерческой эксплуатации с 2012 года. [13]
С 2013 года Novatec Solar совместно с BASF разработала систему расплавленной соли . [14] Она использует расплавленные соли в качестве теплоносителя в коллекторе, который напрямую передается в хранилище тепловой энергии. Температура соли до 550 °C (823 K; 1022 °F) облегчает работу обычной паровой турбины для выработки электроэнергии , повышения нефтеотдачи или опреснения . Демонстрационная установка расплавленной соли была реализована на PE 1 для подтверждения эффективности технологии. С 2015 года FRENELL GmbH, выкупленная руководством Novatec Solar , взяла на себя коммерческую разработку технологии прямого расплавления соли.
Solar Fire, неправительственная организация в Индии, занимающаяся соответствующими технологиями , разработала проект с открытым исходным кодом для небольшого, управляемого вручную, пикового концентратора Френеля мощностью 12 кВт, который генерирует температуру до 750 °C (1020 K; 1380 °F) и может использоваться для различных тепловых применений, включая паровую генерацию электроэнергии. [15] [16]
Крупнейшей системой CSP, использующей технологию компактного линейного отражателя Френеля, является электростанция Reliance Areva CSP мощностью 125 МВт в Индии. [17]
В Китае проект промышленного масштаба Френеля мощностью 50 МВт, использующий расплавленную соль в качестве теплоносителя, находится в стадии строительства с 2016 года. После подключения к сети в 2019 году он, по всей видимости, успешно работает по состоянию на 2021 год. [18]
