Параболический коллектор (PTC) — это тип солнечного теплового коллектора , который является прямым в одном измерении и изогнутым как парабола в двух других, облицованный полированным металлическим зеркалом . Солнечный свет , который попадает в зеркало параллельно его плоскости симметрии, фокусируется вдоль фокальной линии , где располагаются объекты, которые должны нагреваться. Например, в солнечной плите еда помещается на фокальную линию желоба, которая готовится, когда желоб направлен так, что Солнце находится в его плоскости симметрии.
Для других целей трубка, содержащая жидкость, проходит по всей длине желоба на его фокальной линии. Солнечный свет концентрируется на трубке, и жидкость нагревается до высокой температуры энергией солнечного света. Горячая жидкость может быть подана по трубам в тепловой двигатель (например, ORC или пароводяной цикл Ренкина), который использует тепловую энергию для привода машин или для выработки электроэнергии. Этот солнечный коллектор является наиболее распространенным и известным типом параболического желоба.
Когда теплоноситель используется для нагрева пара для привода стандартного турбогенератора, тепловой КПД составляет от 50 до 80%. Общий КПД от коллектора до сети, т. е. (электрическая выходная мощность)/(общая падающая солнечная мощность) составляет около 15%, что аналогично фотоэлектрическим элементам , но меньше, чем у концентраторов Стирлинга . Крупномасштабным солнечным тепловым электростанциям требуется метод хранения энергии, такой как термоклинный резервуар, в котором используется смесь кварцевого песка и кварцитовой породы для вытеснения значительной части объема в резервуаре. Затем он заполняется теплоносителем, обычно расплавленной солью нитрата .
По состоянию на 2014 год крупнейшими солнечными тепловыми электростанциями, использующими технологию параболических желобов, являются установки SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, электростанция Solana Generating Station мощностью 280 МВт с аккумулятором тепла расплавленной соли , проект Genesis Solar Energy Project мощностью 250 МВт , испанская солнечная электростанция Solaben мощностью 200 МВт и солнечная электростанция Andasol 1. [1] [2 ]
Желоб обычно выравнивается по оси север-юг и вращается для отслеживания движения солнца по небу каждый день. В качестве альтернативы, желоб может быть выровнен по оси восток-запад; это снижает общую эффективность коллектора из-за солнечного света, падающего на коллекторы под углом, но требует только выравнивания желоба в соответствии со сменой сезонов , избегая необходимости в двигателях слежения. Этот метод слежения приближается к теоретической эффективности в весеннее и осеннее равноденствия с менее точной фокусировкой света в другое время года. Ежедневное движение солнца по небу также вносит ошибки, наибольшие на восходе и закате и наименьшие в полдень. Из-за этих источников ошибок сезонно скорректированные параболические желоба обычно проектируются с более низким концентрационным приемлемым продуктом .
Концентраторы параболических желобов имеют простую геометрию, но их концентрация составляет около 1/3 от теоретического максимума для того же угла приема , то есть для тех же общих допусков системы ко всем видам ошибок, включая те, которые указаны выше. Теоретический максимум лучше достигается с более сложными концентраторами, основанными на первично-вторичных конструкциях с использованием невизуализирующей оптики [3] [4], которые могут почти вдвое увеличить концентрацию обычных параболических желобов [5] и используются для улучшения практических конструкций, таких как конструкции с фиксированными приемниками. [6]
Теплоноситель (обычно термальное масло ) проходит через трубку, поглощая концентрированный солнечный свет. Это повышает температуру жидкости примерно до 400 °C. [7] Затем теплоноситель используется для нагрева пара в стандартном турбогенераторе. Процесс экономичен, и для нагрева трубы тепловой КПД составляет от 60 до 80%. Общая эффективность от коллектора до сети, т. е. (выходная электрическая мощность)/(общая падающая солнечная мощность), составляет около 15%, что аналогично PV (фотоэлектрическим элементам), но меньше, чем у концентраторов типа «тарелка Стирлинга» . [8]
Параболический желоб состоит из нескольких модулей солнечного коллектора ( SCM ), скрепленных вместе для перемещения как один узел солнечного коллектора ( SCA ). SCM может иметь длину до 15 метров (49 футов 3 дюйма) или более. Около дюжины или более SCM делают каждый SCA длиной до 200 метров (656 футов 2 дюйма). Каждый SCA представляет собой независимо отслеживаемый параболический желоб. [9]
SCM может быть изготовлен как цельное параболическое зеркало или собрано из нескольких меньших зеркал в параллельных рядах. Для изготовления меньших модульных зеркал требуются меньшие машины, что снижает стоимость. Стоимость также снижается в случае необходимости замены поврежденного зеркала. Такое повреждение может произойти из-за удара предметом во время плохой погоды.
Кроме того, существуют V-образные желоба, которые сделаны из двух зеркал, расположенных под углом друг к другу. [10]
В 2009 году ученые Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) и SkyFuel объединились для разработки больших изогнутых листов металла, которые потенциально могут быть на 30% дешевле лучших современных коллекторов концентрированной солнечной энергии , заменив стеклянные модели на серебряный полимерный лист, который имеет ту же производительность, что и тяжелые стеклянные зеркала, но при гораздо меньшей стоимости и весе. Его также намного легче перемещать и устанавливать. Глянцевая пленка использует несколько слоев полимеров с внутренним слоем из чистого серебра. [11]
Поскольку этот возобновляемый источник энергии по своей природе непостоянен, были изучены методы хранения энергии, например, технология хранения с одним резервуаром ( термоклин ) для крупномасштабных солнечных тепловых электростанций. Подход с термоклинным резервуаром использует смесь кварцевого песка и кварцитовой породы для вытеснения значительной части объема в резервуаре. Затем он заполняется теплоносителем, как правило, расплавленной солью нитрата .
Закрытая архитектура желоба инкапсулирует солнечную тепловую систему в теплице, похожей на теплицу. Теплица создает защищенную среду, выдерживающую элементы, которые могут повысить надежность и эффективность солнечной тепловой системы. [12]
Легкие изогнутые солнечные отражающие зеркала подвешены внутри теплицы. Одноосевая система слежения позиционирует зеркала для отслеживания солнца и фокусировки его света на сеть стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. [13] Пар генерируется напрямую с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода течет по длине труб, без теплообменников или промежуточных рабочих жидкостей.
Полученный пар затем подается непосредственно в существующую парораспределительную сеть месторождения, где пар непрерывно впрыскивается глубоко в нефтяной пласт. Защита зеркал от ветра позволяет им достигать более высоких температур и предотвращает накопление пыли в результате воздействия влажности. [12] GlassPoint Solar , компания, которая создала конструкцию Enclosed Trough, заявляет, что ее технология может производить тепло для EOR примерно за 5 долларов за миллион британских тепловых единиц в солнечных регионах, по сравнению с 10 и 12 долларами для других традиционных солнечных тепловых технологий. [14]
Закрытые желоба в настоящее время используются на солнечной электростанции Miraah в Омане . В ноябре 2017 года GlassPoint объявила о партнерстве с Aera Energy , которое позволит установить параболические желоба на нефтяном месторождении South Belridge , недалеко от Бейкерсфилда , Калифорния. [15]
В 1897 году Фрэнк Шуман , американский изобретатель, инженер и пионер солнечной энергии, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал, отражая солнечную энергию на квадратные коробки, заполненные эфиром, который имеет более низкую температуру кипения, чем вода, и был оснащен внутри черными трубами, которые, в свою очередь, приводили в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал Sun Power Company с намерением построить более крупные солнечные электростанции. Он, вместе со своим техническим консультантом А. С. Э. Аккерманном и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойзом , [ требуется ссылка ] разработал усовершенствованную систему, использующую зеркала для отражения солнечной энергии на коробки коллекторов, увеличивая теплопроизводительность до такой степени, что теперь вместо эфира можно было использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, работающий на воде низкого давления, что позволило ему запатентовать всю систему солнечного двигателя к 1912 году.
Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади , Египет, между 1912 и 1913 годами. Установка Шумана использовала параболические желоба для питания двигателя мощностью 45–52 киловатт (60–70 л. с. ), который перекачивал более 22 000 литров воды в минуту из реки Нил на соседние хлопковые поля. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах препятствовали развитию солнечной энергии, видение и базовый дизайн Шумана были воскрешены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. [16] В 1916 году Шуман был процитирован в СМИ, выступая за использование солнечной энергии, он сказал:
Мы доказали коммерческую выгоду от использования солнечной энергии в тропиках и, в частности, доказали, что после того, как наши запасы нефти и угля будут исчерпаны, человечество сможет получать неограниченную энергию от солнечных лучей.
— Фрэнк Шуман, New York Times, 2 июля 1916 г. [17]
Коммерческие установки, использующие параболические желоба, могут использовать теплоаккумуляторы ночью, в то время как некоторые из них являются гибридными и поддерживают природный газ в качестве вторичного источника топлива. В Соединенных Штатах количество ископаемого топлива, используемого для того, чтобы установка считалась возобновляемым источником энергии, ограничено максимум 27% от выработки электроэнергии. [ необходима цитата ] Поскольку они включают в себя охлаждающие станции, конденсаторы , аккумуляторы и другие вещи, помимо фактических солнечных коллекторов, мощность, вырабатываемая на квадратный метр площади, сильно различается. [ необходима цитата ]
По состоянию на 2014 год крупнейшими солнечными тепловыми электростанциями, использующими технологию параболических желобов, являются установки SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, электростанция Solana Generating Station мощностью 280 МВт с аккумулятором тепла расплавленной соли , проект Genesis Solar Energy Project мощностью 250 МВт , испанская солнечная электростанция Solaben мощностью 200 МВт и солнечная электростанция Andasol 1. [1] [2 ]