Системы концентрированной солнечной энергии ( CSP , также известные как концентрирующая солнечная энергия , концентрированная солнечная тепловая ) генерируют солнечную энергию , используя зеркала или линзы для концентрации большой площади солнечного света в приемнике. [1] Электричество вырабатывается, когда концентрированный свет преобразуется в тепло ( солнечную тепловую энергию ), которое приводит в действие тепловой двигатель (обычно паровую турбину ), подключенный к электрогенератору [ 2] [3] [4] или приводит в действие термохимическую реакцию. [5] [6] [7]
По состоянию на 2021 год мировая установленная мощность концентрированной солнечной энергии составляла 6,8 ГВт. [8] По состоянию на 2023 год общая мощность составляла 8,1 ГВт, включая три новых проекта CSP, находящихся в стадии строительства в Китае [9] и в Дубае в ОАЭ. [9] Базирующаяся в США Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL), которая ведет глобальную базу данных установок CSP, насчитывает 6,6 ГВт рабочей мощности и еще 1,5 ГВт в стадии строительства. [10]
Как тепловая электростанция, генерирующая энергию, CSP имеет больше общего с тепловыми электростанциями, такими как угольные, газовые или геотермальные. Установка CSP может включать в себя накопитель тепловой энергии , который хранит энергию либо в форме явного тепла , либо в виде скрытого тепла (например, с использованием расплавленной соли ), что позволяет этим установкам продолжать поставлять электроэнергию, когда это необходимо, днем или ночью. [11] Это делает CSP управляемой формой солнечной энергии. Управляемая возобновляемая энергия особенно ценна в местах, где уже наблюдается высокое проникновение фотоэлектрических элементов (PV), таких как Калифорния , [12], поскольку спрос на электроэнергию достигает пика вблизи заката, как раз тогда, когда мощность PV снижается (явление, называемое « утиной кривой »). [13]
CSP часто сравнивают с фотоэлектрическими солнечными установками (PV), поскольку они оба используют солнечную энергию. В то время как солнечные PV испытали огромный рост в 2010-х годах из-за падения цен, [14] [15] рост солнечных CSP был медленным из-за технических трудностей и высоких цен. В 2017 году CSP представляли менее 2% от мировой установленной мощности солнечных электростанций. [16] Однако CSP может легче хранить энергию в ночное время, что делает ее более конкурентоспособной по сравнению с диспетчерскими генераторами и базовыми электростанциями. [17] [18] [19] [20]
Проект DEWA в Дубае, строительство которого началось в 2019 году, установил мировой рекорд по самой низкой цене CSP в 2017 году в размере 73 долл. США за МВт·ч [21] для его 700 МВт комбинированного проекта желоба и башни: 600 МВт желоба, 100 МВт башни с 15 часами хранения тепловой энергии в день. Базовый тариф CSP в чрезвычайно засушливом регионе Атакама в Чили достигал ниже 50 долл. США/МВт·ч на аукционах 2017 года. [22] [23]
Легенда гласит, что Архимед использовал «зажигательное стекло», чтобы сконцентрировать солнечный свет на вторгшемся римском флоте и отразить его от Сиракуз . В 1973 году греческий ученый, доктор Иоаннис Саккас, задаваясь вопросом, действительно ли Архимед мог уничтожить римский флот в 212 году до нашей эры, выстроил в ряд около 60 греческих моряков, каждый из которых держал продолговатое зеркало, наклоненное так, чтобы ловить солнечные лучи и направлять их на покрытый смолой фанерный силуэт в 49 м (160 футов) от него. Корабль загорелся через несколько минут; однако историки продолжают сомневаться в истории Архимеда. [24]
В 1866 году Огюст Мушу использовал параболический желоб для производства пара для первого солнечного парового двигателя. Первый патент на солнечный коллектор был получен итальянцем Алессандро Батталья в Генуе, Италия, в 1886 году. В последующие годы такие изобретатели, как Джон Эрикссон и Фрэнк Шуман, разработали концентрирующие солнечные устройства для орошения, охлаждения и передвижения. В 1913 году Шуман закончил параболическую солнечную тепловую электростанцию мощностью 55 лошадиных сил (41 кВт) в Маади, Египет, для орошения. [25] [26] [27] [28] Первая солнечная энергетическая система с использованием зеркальной тарелки была построена доктором Р. Х. Годдардом , который уже был хорошо известен своими исследованиями жидкотопливных ракет и написал статью в 1929 году, в которой он утверждал, что все предыдущие препятствия были устранены. [29]
Профессор Джованни Франча (1911–1980) спроектировал и построил первую концентрированную солнечную электростанцию, которая была введена в эксплуатацию в Сант-Иларио, недалеко от Генуи, Италия, в 1968 году. Эта станция имела архитектуру современных электростанций башенного типа с солнечным приемником в центре поля солнечных коллекторов. Установка могла производить 1 МВт с перегретым паром при 100 бар и 500 °C. [30] 10-мегаваттная электростанция Solar One была разработана в Южной Калифорнии в 1981 году. Solar One была преобразована в Solar Two в 1995 году, реализовав новую конструкцию со смесью расплавленной соли (60% нитрата натрия, 40% нитрата калия) в качестве рабочей жидкости приемника и в качестве среды хранения. Подход с расплавленной солью оказался эффективным, и Solar Two успешно работала до тех пор, пока не была выведена из эксплуатации в 1999 году. [31] Технология параболоцилиндрических желобов близлежащих систем генерации солнечной энергии (SEGS), начатая в 1984 году, была более работоспособной. SEGS мощностью 354 МВт была крупнейшей солнечной электростанцией в мире до 2014 года.
Ни одна коммерческая концентрированная солнечная установка не была построена с 1990 года, когда был завершен проект SEGS, до 2006 года, когда была построена компактная линейная система отражателей Френеля на электростанции Лидделл в Австралии. Несколько других установок были построены с использованием этой конструкции, хотя в 2009 году открылась солнечная тепловая электростанция Кимберлина мощностью 5 МВт .
В 2007 году была построена Nevada Solar One мощностью 75 МВт, желобчатая конструкция и первая крупная установка со времен SEGS. В период с 2010 по 2013 год Испания построила более 40 параболических желобчатых систем, стандартизированных в блоки по 50 МВт.
Благодаря успеху Solar Two в 2011 году в Испании была построена коммерческая электростанция Solar Tres Power Tower , позже переименованная в Gemasolar Thermosolar Plant. Результаты Gemasolar проложили путь для дальнейших установок такого типа. В то же время была построена Ivanpah Solar Power Facility , но без теплового аккумулятора, с использованием природного газа для предварительного нагрева воды каждое утро.
Большинство концентрированных солнечных электростанций используют конструкцию параболического желоба вместо силовой башни или систем Френеля. Также существуют вариации систем параболического желоба, такие как интегрированный солнечный комбинированный цикл (ISCC), который сочетает желоба и традиционные системы отопления на ископаемом топливе.
CSP изначально рассматривалась как конкурент фотоэлектрическим системам, и Ivanpah была построена без хранения энергии, хотя Solar Two включала несколько часов теплового хранения. К 2015 году цены на фотоэлектрические установки упали, и коммерческая PV-энергия продавалась за 1 ⁄ 3 современных контрактов CSP. [32] [33] Однако все чаще CSP предлагалась с 3–12 часами хранения тепловой энергии, что делало CSP управляемой формой солнечной энергии. [34] Таким образом, ее все чаще рассматривают как конкурирующую с природным газом и PV с батареями за гибкую, управляемую мощность.
CSP используется для производства электроэнергии (иногда называемой солнечным термоэлектричеством, обычно вырабатываемым через пар ). Системы концентрированной солнечной технологии используют зеркала или линзы с системами слежения для фокусировки большой площади солнечного света на небольшой площади. Концентрированный свет затем используется в качестве тепла или источника тепла для обычной электростанции (солнечная термоэлектричество). Солнечные концентраторы, используемые в системах CSP, часто могут также использоваться для обеспечения промышленного технологического нагрева или охлаждения, например, в солнечном кондиционировании воздуха .
Концентрирующие технологии существуют в четырех оптических типах, а именно параболический желоб , тарелка , концентрирующий линейный отражатель Френеля и солнечная башня . [35] Параболический желоб и концентрирующий линейный отражатель Френеля классифицируются как типы линейных фокусных коллекторов, в то время как тарелка и солнечная башня являются типами точечных фокусов. Линейные фокусные коллекторы достигают средних коэффициентов концентрации (50 солнц и более), а точечные фокусные коллекторы достигают высоких коэффициентов концентрации (более 500 солнц). Несмотря на простоту, эти солнечные концентраторы довольно далеки от теоретической максимальной концентрации. [36] [37] Например, концентрация параболического желоба дает около 1 ⁄ теоретического максимума для угла приема конструкции , то есть для тех же общих допусков для системы. Приближение к теоретическому максимуму может быть достигнуто с помощью более сложных концентраторов, основанных на невизуальной оптике . [36] [37] [38]
Различные типы концентраторов производят разные пиковые температуры и соответственно разную термодинамическую эффективность из-за различий в способе, которым они отслеживают солнце и фокусируют свет. Новые инновации в технологии CSP ведут к тому, что системы становятся все более и более экономически эффективными. [39] [40]
В 2023 году австралийское национальное научное агентство CSIRO провело испытания конструкции CSP, в которой крошечные керамические частицы падают через луч концентрированной солнечной энергии; керамические частицы способны сохранять большее количество тепла, чем расплавленная соль, при этом не требуя контейнера, который бы уменьшал теплопередачу. [41]
Параболический желоб состоит из линейного параболического отражателя, который концентрирует свет на приемнике, расположенном вдоль фокальной линии отражателя. Приемник представляет собой трубку, расположенную на продольной фокальной линии параболического зеркала и заполненную рабочей жидкостью. Отражатель следует за солнцем в течение светового дня, отслеживая его вдоль одной оси. Рабочая жидкость (например, расплавленная соль [42] ) нагревается до 150–350 °C (302–662 °F) по мере протекания через приемник, а затем используется в качестве источника тепла для системы выработки электроэнергии. [43] Системы желобов являются наиболее развитой технологией CSP. Типичными примерами являются установки Solar Energy Generating Systems (SEGS) в Калифорнии, первые в мире коммерческие установки с параболическими желобами, Acciona's Nevada Solar One около Боулдер-Сити, штат Невада, и Andasol, первая в Европе коммерческая установка с параболическими желобами, а также испытательные установки SSPS - DCS компании Plataforma Solar de Almería в Испании . [44]
Конструкция инкапсулирует солнечную тепловую систему в теплице, похожей на теплицу. Теплица создает защищенную среду, чтобы противостоять элементам, которые могут негативно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы. [45] Легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечный свет, подвешены к потолку теплицы с помощью проводов. Одноосная система слежения позиционирует зеркала для получения оптимального количества солнечного света. Зеркала концентрируют солнечный свет и фокусируют его на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. [46] По всей длине трубы протекает вода, которая кипятится для образования пара при применении интенсивного солнечного излучения. Защита зеркал от ветра позволяет им достигать более высоких температурных показателей и предотвращает накопление пыли на зеркалах. [45]
GlassPoint Solar , компания, создавшая конструкцию закрытого желоба, утверждает, что ее технология может производить тепло для повышения нефтеотдачи (ПНП) примерно за 5 долларов за 290 кВт·ч (1 000 000 БТЕ) в солнечных регионах, по сравнению с 10–12 долларами за другие традиционные солнечные тепловые технологии. [47]
Солнечная электростанция состоит из массива двухосных отслеживающих отражателей ( гелиостатов ), которые концентрируют солнечный свет на центральном приемнике на вершине башни; приемник содержит теплопередающую жидкость, которая может состоять из водяного пара или расплавленной соли . Оптически солнечная электростанция башня такая же, как и круговой отражатель Френеля. Рабочая жидкость в приемнике нагревается до 500–1000 °C (773–1273 K или 932–1832 °F), а затем используется в качестве источника тепла для выработки электроэнергии или системы хранения энергии. [43] Преимущество солнечной башни заключается в том, что можно регулировать отражатели вместо всей башни. Разработка силовой башни менее продвинута, чем системы желобов, но они предлагают более высокую эффективность и лучшую способность к хранению энергии. Применение башни с лучом вниз также возможно с гелиостатами для нагрева рабочей жидкости. [48] CSP с двумя башнями также используются для повышения эффективности преобразования почти на 24%. [49]
Solar Two в Даггетте , Калифорния, и CESA-1 в Plataforma Solar de Almeria в Альмерии, Испания, являются наиболее представительными демонстрационными установками. Planta Solar 10 (PS10) в Санлукар-ла-Майор , Испания, является первой в мире коммерческой башенной солнечной электростанцией коммунального масштаба. 377-мегаваттная солнечная электростанция Ivanpah , расположенная в пустыне Мохаве , была крупнейшей в мире установкой CSP и использует три башни электростанций. [50] Ivanpah вырабатывала только 0,652 ТВт·ч (63%) своей энергии с помощью солнечных батарей, а остальные 0,388 ТВт·ч (37%) были получены путем сжигания природного газа . [51] [52] [53]
Сверхкритический диоксид углерода может использоваться вместо пара в качестве теплоносителя для повышения эффективности производства электроэнергии . Однако из-за высоких температур в засушливых районах, где обычно располагаются солнечные электростанции, невозможно охладить диоксид углерода ниже его критической температуры на входе в компрессор . Поэтому в настоящее время разрабатываются смеси сверхкритического диоксида углерода с более высокой критической температурой.
Рефлекторы Френеля сделаны из множества тонких плоских зеркальных полосок для концентрации солнечного света на трубках, через которые прокачивается рабочая жидкость. Плоские зеркала обеспечивают большую отражающую поверхность в том же объеме пространства, что и параболический рефлектор, таким образом захватывая больше доступного солнечного света, и они намного дешевле параболических рефлекторов. [54] Рефлекторы Френеля могут использоваться в CSP различных размеров. [55] [56]
Френелевские отражатели иногда рассматриваются как технология с худшим выходом, чем другие методы. Экономическая эффективность этой модели заставляет некоторых использовать ее вместо других с более высокими выходными характеристиками. Некоторые новые модели френелевских отражателей с возможностями трассировки лучей начали тестироваться и изначально показали более высокий выход, чем стандартная версия. [57]
Система тарелочного двигателя Стирлинга или тарелочного двигателя состоит из автономного параболического отражателя , который концентрирует свет на приемнике, расположенном в фокусе отражателя. Отражатель отслеживает Солнце по двум осям. Рабочая жидкость в приемнике нагревается до 250–700 °C (482–1292 °F), а затем используется двигателем Стирлинга для выработки электроэнергии. [43] Системы параболических тарелок обеспечивают высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (от 31% до 32%), а их модульная природа обеспечивает масштабируемость. Тарелки Stirling Energy Systems (SES), United Sun Systems (USS) и Science Applications International Corporation (SAIC) в UNLV , а также Big Dish Австралийского национального университета в Канберре , Австралия, являются представителями этой технологии. Мировой рекорд эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую составил 31,25% по версии SES на Национальном испытательном стенде для солнечных тепловых установок (NSTTF) в Нью-Мексико 31 января 2008 года, в холодный и ясный день. [58] По данным разработчика, шведской фирмы Ripasso Energy, в 2015 году ее система Dish Sterling, испытанная в пустыне Калахари в Южной Африке, показала эффективность 34%. [59] Установка SES в Марикопе, Финикс, была крупнейшей энергетической установкой Stirling Dish в мире, пока не была продана United Sun Systems . Впоследствии большая часть установки была перемещена в Китай в связи с огромным спросом на энергию.
В установке CSP, которая включает хранилище, солнечная энергия сначала используется для нагрева расплавленной соли или синтетического масла, которое хранится, обеспечивая тепловую/тепловую энергию при высокой температуре в изолированных резервуарах. [60] [61] Позже горячая расплавленная соль (или масло) используется в парогенераторе для производства пара для выработки электроэнергии паровым турбогенератором в соответствии с требованиями. [62] Таким образом, солнечная энергия, которая доступна только в дневное время, используется для круглосуточной выработки электроэнергии по требованию в качестве электростанции, следующей за нагрузкой, или солнечной пиковой электростанции. [63] [64] Тепловая емкость хранения указывается в часах выработки электроэнергии при паспортной мощности . В отличие от солнечных фотоэлектрических систем или CSP без хранилища, выработка электроэнергии на солнечных тепловых аккумуляторных установках является диспетчерской и самодостаточной, аналогично угольным/ газовым электростанциям , но без загрязнения. [65] CSP с установками хранения тепловой энергии также могут использоваться в качестве когенерационных установок для круглосуточной поставки как электроэнергии, так и технологического пара. По состоянию на декабрь 2018 года себестоимость генерации CSP с установками для хранения тепловой энергии варьировалась от 5 до 7 центов €/кВтч в зависимости от хорошего или среднего уровня солнечного излучения, получаемого в месте. [66] В отличие от солнечных фотоэлектрических установок, CSP с установками для хранения тепловой энергии также могут использоваться экономично круглосуточно для производства только технологического пара, заменяя загрязняющие выбросы ископаемого топлива . Установка CSP также может быть интегрирована с солнечными фотоэлектрическими установками для лучшей синергии. [67] [68] [69]
CSP с системами хранения тепла также доступны с использованием цикла Брайтона с воздухом вместо пара для круглосуточной выработки электроэнергии и/или пара. Эти установки CSP оснащены газовой турбиной для выработки электроэнергии. [70] Они также имеют небольшую мощность (<0,4 МВт) с гибкостью установки на площади в несколько акров. [70] Отработанное тепло от электростанции также может использоваться для выработки технологического пара и нужд HVAC . [71] В случае, если доступность земли не является ограничением, может быть установлено любое количество этих модулей до 1000 МВт с RAMS и преимуществом в стоимости, поскольку стоимость за МВт этих установок ниже, чем у более крупных солнечных тепловых станций. [72]
Круглосуточное централизованное районное отопление также возможно с использованием концентрированных солнечных теплоаккумулирующих установок. [73]
Одна из первых установок работала на Сицилии в Адрано . Развертывание установок CSP в США началось в 1984 году с установок SEGS . Последняя установка SEGS была завершена в 1990 году. С 1991 по 2005 год нигде в мире не было построено ни одной установки CSP. Глобальная установленная мощность CSP увеличилась почти в десять раз в период с 2004 по 2013 год и росла в среднем на 50 процентов в год в течение последних пяти лет, поскольку число стран с установленными CSP росло [78] : 51 В 2013 году мировая установленная мощность увеличилась на 36% или почти на 0,9 гигаватт (ГВт) до более чем 3,4 ГВт. Рекорд установленной мощности был достигнут в 2014 году и составил 925 МВт, однако за этим последовал спад, вызванный изменениями в политике, мировым финансовым кризисом и быстрым снижением цен на фотоэлектрические элементы. Тем не менее, в 2021 году общая мощность достигла 6800 МВт. [8]
На Испанию приходится почти треть мировой мощности, 2300 МВт, несмотря на то, что с 2013 года в стране не вводилось в коммерческую эксплуатацию новых мощностей. [77] Далее следуют Соединенные Штаты с 1740 МВт. Интерес также заметен в Северной Африке и на Ближнем Востоке, а также в Китае и Индии. Наблюдается заметная тенденция в сторону развивающихся стран и регионов с высоким уровнем солнечной радиации, где в 2017 году было построено несколько крупных электростанций.
Первоначально на мировом рынке доминировали установки с параболоцилиндрическими цилиндрами, на долю которых в определенный момент приходилось 90% установок CSP. [82]
Начиная примерно с 2010 года центральная башенная система CSP стала предпочтительнее на новых электростанциях из-за ее более высокой рабочей температуры — до 565 °C (1049 °F) по сравнению с максимальным значением 400 °C (752 °F) у башенной установки, что обещает большую эффективность.
Среди крупных проектов CSP можно отметить солнечную электростанцию Ivanpah (392 МВт) в США, которая использует технологию солнечных электростанций башенного типа без накопления тепловой энергии, и солнечную электростанцию Ouarzazate в Марокко [83] , которая сочетает в себе технологии лотковых и башенных электростанций для общей мощности 510 МВт с несколькими часами накопления энергии.
Сегодня объемная энергия от CSP намного дороже, чем от солнечной фотоэлектрической или ветровой энергии, однако разработчики надеются, что хранение энергии CSP может стать более дешевой альтернативой. Еще в 2011 году быстрое снижение цен на фотоэлектрические системы привело к прогнозам, что CSP больше не будет экономически жизнеспособным. [84] По состоянию на 2020 год наименее дорогие концентрированные солнечные электростанции коммунального масштаба в Соединенных Штатах и во всем мире в пять раз дороже, чем фотоэлектрические электростанции коммунального масштаба , с прогнозируемой минимальной ценой в 7 центов за киловатт-час для самых передовых станций CSP против рекордно низких 1,32 цента за кВт·ч [85] для коммунальных фотоэлектрических систем. [86] Эта пятикратная разница в цене сохраняется с 2018 года. [87] Некоторые электростанции PV-CSP в Китае стремились работать прибыльно по региональному тарифу на уголь в размере 5 центов США за кВт·ч в 2021 году. [88]
Несмотря на то, что общее развертывание CSP остается ограниченным в начале 2020-х годов, нормированная стоимость электроэнергии от промышленных установок значительно снизилась с 2010-х годов. С учетом скорости обучения, оцениваемой примерно в 20% снижения стоимости при каждом удвоении мощности [89], стоимость приближалась к верхнему пределу диапазона стоимости ископаемого топлива в начале 2020-х годов, что обусловлено схемами поддержки в нескольких странах, включая Испанию, США, Марокко, Южную Африку, Китай и ОАЭ:
Внедрение CSP значительно замедлилось, поскольку большинство вышеупомянутых рынков отказались от своей поддержки, [90] поскольку технология оказалась более дорогой в расчете на кВтч, чем солнечная фотоэлектрическая система и энергия ветра. Некоторые ожидают, что CSP в сочетании с тепловым хранилищем энергии (TES) станет дешевле, чем фотоэлектрические системы с литиевыми батареями при длительности хранения более 4 часов в день, [91] в то время как NREL ожидает, что к 2030 году фотоэлектрические системы с 10-часовым хранением литиевых батарей будут стоить столько же, сколько стоили фотоэлектрические системы с 4-часовым хранением в 2020 году. [92]
Эффективность концентрирующей солнечной энергосистемы будет зависеть от технологии, используемой для преобразования солнечной энергии в электрическую, рабочей температуры приемника и отвода тепла, тепловых потерь в системе, а также наличия или отсутствия других потерь в системе; в дополнение к эффективности преобразования, оптическая система, концентрирующая солнечный свет, также будет вносить дополнительные потери.
Реальные системы заявляют о максимальной эффективности преобразования 23-35% для систем типа «силовая башня», работающих при температурах от 250 до 565 °C, с более высоким показателем эффективности, предполагающим турбину комбинированного цикла. Системы тарелочного Стирлинга, работающие при температурах 550-750 °C, заявляют об эффективности около 30%. [93] Из-за колебаний падения солнца в течение дня средняя достигнутая эффективность преобразования не равна этим максимальным значениям эффективности, а чистая годовая эффективность преобразования солнечной энергии в электричество составляет 7-20% для пилотных систем силовой башни и 12-25% для демонстрационных систем тарелочного Стирлинга. [93]
Максимальная эффективность преобразования любой системы тепловой энергии в электрическую определяется КПД Карно , который представляет собой теоретический предел эффективности, который может быть достигнут любой системой, установленный законами термодинамики . Реальные системы не достигают КПД Карно.
Эффективность преобразования падающего солнечного излучения в механическую работу зависит от тепловых радиационных свойств солнечного приемника и теплового двигателя ( например, паровой турбины). Солнечное излучение сначала преобразуется в тепло солнечным приемником с эффективностью , а затем тепло преобразуется в механическую энергию тепловым двигателем с эффективностью , используя принцип Карно . [94] [95] Затем механическая энергия преобразуется в электрическую энергию генератором. Для солнечного приемника с механическим преобразователем ( например , турбиной) общая эффективность преобразования может быть определена следующим образом:
где представляет собой долю падающего света, сконцентрированную на приемнике, долю падающего на приемник света, преобразованную в тепловую энергию, эффективность преобразования тепловой энергии в механическую энергию и эффективность преобразования механической энергии в электрическую энергию.
является:
Эффективность преобразования не превышает эффективности Карно, которая определяется температурой приемника и температурой отвода тепла («температурой теплоотвода») .
Реальный КПД типичных двигателей достигает 50% или максимум 70% от КПД Карно из-за потерь, таких как потери тепла и сопротивление воздуха в движущихся частях.
Для солнечного потока (например , ) сконцентрированного раз с эффективностью на системном солнечном приемнике с собирающей площадью и поглощающей способностью :
Для простоты можно предположить, что потери являются только радиационными (справедливое предположение для высоких температур), таким образом, для переизлучающей области A и излучательной способности применение закона Стефана-Больцмана дает:
Упрощая эти уравнения, рассматривая идеальную оптику ( = 1) и не принимая во внимание конечный этап преобразования в электричество генератором, собирая и переизлучая области, равные и имеющие максимальную поглощающую и излучательную способность ( = 1, = 1), затем подставляя в первое уравнение, получаем
График показывает, что общая эффективность не увеличивается равномерно с температурой приемника. Хотя эффективность теплового двигателя (Карно) увеличивается с более высокой температурой, эффективность приемника не увеличивается. Напротив, эффективность приемника уменьшается, поскольку количество энергии, которое он не может поглотить (Q lost ), растет в четвертой степени как функция температуры. Следовательно, существует максимально достижимая температура. Когда эффективность приемника равна нулю (синяя кривая на рисунке ниже), T max равна:
Существует температура T opt , при которой эффективность максимальна, т.е. когда производная эффективности относительно температуры приемника равна нулю:
Следовательно, это приводит нас к следующему уравнению:
Численное решение этого уравнения позволяет получить оптимальную температуру процесса в зависимости от коэффициента концентрации солнечной энергии (красная кривая на рисунке ниже).
Оставив в стороне теоретические показатели эффективности, реальный опыт применения CSP показывает дефицит прогнозируемой производительности на 25–60%, значительная часть которого обусловлена практическими потерями цикла Карно, не включенными в приведенный выше анализ.
В 2008 году Испания запустила первый в Европе рынок CSP коммерческого масштаба. До 2012 года производство солнечной тепловой электроэнергии изначально имело право на оплату тарифа на подачу электроэнергии (ст. 2 RD 661/2007), что привело к созданию крупнейшего в мире парка CSP, который при установленной мощности 2,3 ГВт ежегодно поставляет в испанскую сеть около 5 ТВт·ч электроэнергии. [96] Первоначальные требования к установкам в FiT были следующими:
Пределы мощности для различных типов систем были переопределены в ходе ежеквартального обзора условий подачи заявок (ст. 5 RD 1578/2008, Приложение III RD 1578/2008). До окончания периода подачи заявок рыночные ограничения, указанные для каждого типа системы, публикуются на веб-сайте Министерства промышленности, туризма и торговли (ст. 5 RD 1578/2008). [97] Из-за проблем со стоимостью Испания приостановила прием новых проектов для фиксированного тарифа 27 января 2012 года [98] [99] Уже принятые проекты были затронуты 6% «солнечным налогом» на фиксированные тарифы, что фактически снизило фиксированный тариф. [100]
В этом контексте испанское правительство приняло в 2013 году Королевский указ-закон 9/2013 [101] , направленный на принятие срочных мер по обеспечению экономической и финансовой стабильности электроэнергетической системы, заложив основы нового Закона 24/2013 об электроэнергетическом секторе Испании. [102] Эта новая ретроактивная правовая и экономическая структура, применяемая ко всем системам возобновляемой энергии, была разработана в 2014 году RD 413/2014, [103] который отменил прежние нормативные рамки, установленные RD 661/2007 и RD 1578/2008, и определил новую схему вознаграждения за эти активы.
После десятилетия, потерянного для CSP в Европе, Испания объявила в своем Национальном плане по энергетике и климату о намерении добавить 5 ГВт мощности CSP в период с 2021 по 2030 год. [104] С этой целью ожидаются двухгодичные аукционы на 200 МВт мощности CSP, которые начнутся в октябре 2022 года, но подробности пока неизвестны. [105]
Несколько антенн CSP были установлены в отдаленных поселениях аборигенов на Северной территории : Херманнсбург , Юэндуму и Ладжаману .
До сих пор ни один проект CSP коммерческого масштаба не был введен в эксплуатацию в Австралии, но было предложено несколько проектов. В 2017 году ныне обанкротившийся американский разработчик CSP SolarReserve получил PPA на реализацию проекта солнечной тепловой электростанции Aurora мощностью 150 МВт в Южной Австралии по рекордно низкой ставке всего 0,08 австралийских долларов за кВт·ч или около 0,06 долларов США за кВт·ч. [106] К сожалению, компания не смогла обеспечить финансирование, и проект был отменен. Еще одним перспективным применением CSP в Австралии являются шахты, которым требуется круглосуточное электричество, но которые часто не имеют подключения к сети. Vast Solar, стартап-компания, нацеленная на коммерциализацию новой модульной конструкции CSP третьего поколения [107] [108], планирует начать строительство 50-мегаваттной комбинированной установки CSP и PV в г. Маунт-Айза на северо-западе Квинсленда в 2021 году. [109]
На федеральном уровне в рамках Целевого показателя по крупномасштабной возобновляемой энергии (LRET), действующего в соответствии с Законом о возобновляемой энергии и электроэнергии 2000 года, крупномасштабная генерация солнечной тепловой электроэнергии аккредитованными электростанциями RET может иметь право на создание сертификатов крупномасштабной генерации (LGC). Эти сертификаты затем могут быть проданы и переданы ответственным субъектам (обычно розничным торговцам электроэнергией) для выполнения их обязательств по этой схеме торгуемых сертификатов. Однако, поскольку это законодательство является технологически нейтральным в своем действии, оно имеет тенденцию отдавать предпочтение более устоявшимся технологиям ВИЭ с более низкой приведенной стоимостью генерации, таким как крупномасштабная наземная ветровая энергетика, а не солнечная тепловая и CSP. [110] На уровне штата законы о подаче возобновляемой энергии обычно ограничиваются максимальной генерирующей мощностью в кВтп и открыты только для микро- или средней генерации и в ряде случаев открыты только для солнечной фотоэлектрической (PV) генерации. Это означает, что более масштабные проекты CSP не будут иметь права на оплату льготных льгот во многих юрисдикциях штатов и территорий.
В 2024 году Китай предлагает технологию CSP второго поколения, чтобы конкурировать с другими методами производства электроэнергии по требованию на основе возобновляемых или невозобновляемых ископаемых видов топлива без каких-либо прямых или косвенных субсидий. [11] В текущем 14-м пятилетнем плане проекты CSP разрабатываются в нескольких провинциях наряду с крупными проектами по установке солнечных фотоэлектрических установок и ветряных электростанций мощностью в ГВт. [88] [8]
В 2016 году Китай объявил о своем намерении построить партию из 20 технологически разнообразных демонстрационных проектов КСЭ в контексте 13-го пятилетнего плана с целью создания конкурентоспособной на международном уровне отрасли КСЭ. [111] С тех пор как первые станции были завершены в 2018 году, вырабатываемая электроэнергия на станциях с тепловым аккумулятором поддерживается административно установленным тарифом FiT в размере 1,5 юаня за кВт·ч. [112] К концу 2020 года Китай эксплуатировал в общей сложности 545 МВт на 12 станциях КСЭ, [113] [114] семь станций (320 МВт) представляют собой башни с расплавленной солью; еще две станции (150 МВт) используют проверенную конструкцию параболического желоба Eurotrough 150, [115] три станции (75 МВт) используют линейные коллекторы Френеля. Планы по созданию второй партии демонстрационных проектов так и не были приняты, а дальнейшая технологическая поддержка CSP в предстоящем 14-м пятилетнем плане неизвестна. Федеральная поддержка проектов из демонстрационной партии закончилась в конце 2021 года. [116]
В марте 2024 года SECI объявила, что запрос на подачу заявок на 500 МВт будет объявлен в 2024 году. [117]
CSP имеет и другие применения, помимо электричества. Исследователи изучают солнечные тепловые реакторы для производства солнечного топлива, что сделает солнечную энергию полностью транспортируемой формой энергии в будущем. Эти исследователи используют солнечное тепло CSP в качестве катализатора для термохимии, чтобы разбить молекулы H 2 O, чтобы создать водород (H 2 ) из солнечной энергии без выбросов углерода. [118] Разделяя как H 2 O, так и CO 2 , другие широко используемые углеводороды — например, реактивное топливо, используемое для полетов коммерческих самолетов — также могут быть созданы с использованием солнечной энергии, а не из ископаемого топлива. [119]
Тепло от солнца может быть использовано для получения пара, который делает тяжелую нефть менее вязкой и более легкой для перекачки. Этот процесс называется солнечной тепловой улучшенной добычей нефти . Солнечные энергетические башни и параболические желоба могут быть использованы для получения пара, который используется напрямую, поэтому не требуются генераторы и не производится электричество. Солнечная улучшенная добыча нефти может продлить срок службы нефтяных месторождений с очень густой нефтью, которую в противном случае было бы неэкономично перекачивать. [1]
Производство углеродно-нейтрального синтетического топлива с использованием концентрированной солнечной тепловой энергии при температуре около 1500 °C технически осуществимо и станет коммерчески выгодным в будущем, если стоимость установок CSP снизится. [120] Также углеродно-нейтральный водород может быть получен с использованием солнечной тепловой энергии (CSP) с использованием цикла серы-йода , гибридного цикла серы , цикла оксида железа , цикла меди-хлора , цикла цинка-оксида цинка , цикла оксида церия (IV)-оксида церия (III) и т. д.
На рубеже тысячелетий и примерно до 2010 года было несколько предложений по гигаваттным размерам, очень крупных солнечных электростанций, использующих CSP. [121] Они включают предложение Euro-Mediterranean Desertec и проект Helios в Греции (10 ГВт), оба в настоящее время отменены. Исследование 2003 года пришло к выводу, что мир мог бы генерировать 2 357 840 ТВт·ч каждый год с помощью очень крупных солнечных электростанций, используя 1% каждой из пустынь мира. Общее потребление во всем мире составило 15 223 ТВт·ч/год [122] (в 2003 году). Проекты гигаваттного размера представляли бы собой массивы стандартных по размеру отдельных установок. В 2012 году BLM выделило 97 921 069 акров (39 627 251 гектар) земли на юго-западе США для солнечных проектов, что достаточно для 10 000–20 000 ГВт. [123] Крупнейшей отдельной действующей станцией является солнечная электростанция Noor мощностью 510 МВт . В 2022 году 4-я фаза CSP мощностью 700 МВт солнечного парка Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park мощностью 5 ГВт в Дубае станет крупнейшим солнечным комплексом с CSP.
Места с самым высоким прямым излучением сухие, на большой высоте и расположены в тропиках . Эти места имеют более высокий потенциал для CSP, чем области с меньшим количеством солнца.
Заброшенные карьеры , умеренные склоны холмов и кратерные впадины могут быть выгодны в случае использования башни электростанции CSP, поскольку башня электростанции может быть расположена на земле в едином комплексе с резервуаром для хранения расплавленной соли. [124] [125]
CSP имеет ряд экологических последствий, в частности, на водопользование, землепользование и использование опасных материалов. [126] Вода обычно используется для охлаждения и очистки зеркал. Некоторые проекты рассматривают различные подходы к сокращению использования воды и чистящих средств, включая использование барьеров, антипригарных покрытий на зеркалах, систем распыления воды и других. [127]
Концентрационные солнечные электростанции с мокрыми системами охлаждения имеют самую высокую интенсивность потребления воды среди всех обычных типов электростанций; только электростанции на ископаемом топливе с улавливанием и хранением углерода могут иметь более высокую интенсивность потребления воды. [128] Исследование 2013 года, сравнивающее различные источники электроэнергии, показало, что медианное потребление воды во время работы концентрирующих солнечных электростанций с мокрым охлаждением составляло 3,1 кубических метра на мегаватт-час (810 галлонов США/МВт·ч) для электростанций башенного типа и 3,4 м 3 /МВт·ч (890 галлонов США/МВт·ч) для установок лоткового типа. Это выше, чем эксплуатационное потребление воды (с градирнями) для ядерной энергетики — 2,7 м 3 /МВт·ч (720 галлонов США/МВт·ч), угля — 2,0 м 3 /МВт·ч (530 галлонов США/МВт·ч) или природного газа — 0,79 м 3 /МВт·ч (210 галлонов США/МВт·ч). [129] Исследование, проведенное в 2011 году Национальной лабораторией возобновляемой энергии, пришло к аналогичным выводам: для электростанций с градирнями потребление воды во время работы составило 3,27 м 3 /МВт·ч (865 галлонов США / МВт·ч) для CSP-трубы, 2,98 м 3 /МВт·ч (786 галлонов США / МВт·ч) для CSP-башни, 2,60 м 3 /МВт·ч (687 галлонов США / МВт·ч) для угля, 2,54 м 3 /МВт·ч (672 галлона США / МВт·ч) для ядерной энергетики и 0,75 м 3 /МВт·ч (198 галлонов США / МВт·ч) для природного газа. [130] Ассоциация солнечной энергетики отметила, что установка CSP Nevada Solar One trough потребляет 3,2 м 3 /МВт·ч (850 галлонов США / МВт·ч). [131] Проблема потребления воды обостряется, поскольку заводы CSP часто располагаются в засушливых районах, где ощущается нехватка воды.
В 2007 году Конгресс США поручил Министерству энергетики отчитаться о способах сокращения потребления воды CSP. В последующем отчете отмечалось, что доступна технология сухого охлаждения, которая, хотя и более затратна в строительстве и эксплуатации, может сократить потребление воды CSP на 91–95 процентов. Гибридная система мокрого/сухого охлаждения может сократить потребление воды на 32–58 процентов. [132] В отчете NREL за 2015 год отмечалось, что из 24 действующих электростанций CSP в США 4 использовали системы сухого охлаждения. Четыре системы сухого охлаждения были тремя электростанциями на солнечной электростанции Ivanpah около Барстоу, Калифорния , и проектом Genesis Solar Energy в округе Риверсайд, Калифорния . Из 15 проектов CSP, находящихся в стадии строительства или разработки в США по состоянию на март 2015 года, 6 были мокрыми системами, 7 были сухими системами, 1 гибридная и 1 неуказанная.
Хотя многие старые термоэлектростанции с прямоточным охлаждением или прудами-охладителями используют больше воды, чем CSP, что означает, что больше воды проходит через их системы, большая часть охлаждающей воды возвращается в водоем, доступный для других целей, и они потребляют меньше воды за счет испарения. Например, средняя угольная электростанция в США с прямоточным охлаждением использует 138 м 3 /МВт·ч (36 350 галлонов США/МВт·ч), но только 0,95 м 3 /МВт·ч (250 галлонов США/МВт·ч) (менее одного процента) теряется из-за испарения. [133] С 1970-х годов большинство электростанций США использовали рециркуляционные системы, такие как градирни, а не прямоточные системы. [134]
Насекомые могут быть привлечены ярким светом, создаваемым концентрированной солнечной технологией, и в результате птицы, которые охотятся на них, могут быть убиты ожогами, если они пролетят вблизи точки, где фокусируется свет. Это также может повлиять на хищных птиц , которые охотятся на птиц. [135] [136] [137] [138] Оппоненты цитируют федеральных чиновников по дикой природе, которые называют башни электростанции Айвенпа «мегаловушками» для диких животных. [139] [140] [141]
Некоторые источники в СМИ сообщили, что концентрированные солнечные электростанции травмировали или убили большое количество птиц из-за сильного тепла от концентрированных солнечных лучей. [142] [143] Некоторые из заявлений могли быть преувеличены или раздуты. [144]
Согласно строгим отчетам, за более чем шесть месяцев в Айвенпе было подсчитано 133 певчих птицы. [145] Благодаря фокусировке не более четырех зеркал на одном месте в воздухе во время ожидания, в проекте по солнечной энергии Crescent Dunes , за три месяца уровень смертности снизился до нуля. [146]
% солнечной энергии, попадающей на зеркала, преобразуется непосредственно в доступную для сети электроэнергию.
{{cite book}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)