Солнечная тепловая энергия ( STE ) — это форма энергии и технология использования солнечной энергии для получения тепловой энергии для использования в промышленности , а также в жилом и коммерческом секторах. Солнечные тепловые коллекторы классифицируются Управлением энергетической информации США как низко-, средне- или высокотемпературные коллекторы. Низкотемпературные коллекторы, как правило, не имеют остекления и используются для нагрева плавательных бассейнов или для нагрева вентиляционного воздуха. Среднетемпературные коллекторы также обычно представляют собой плоские пластины, но используются для нагрева воды или воздуха для жилого и коммерческого использования.
Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечный свет с помощью зеркал или линз и обычно используются для удовлетворения потребностей в тепле до 300 °C (600 °F) / 20 бар (300 фунтов на кв. дюйм) давления в промышленности, а также для производства электроэнергии. Две категории включают концентрированное солнечное тепло (CST) для удовлетворения потребностей в тепле в промышленности и концентрированную солнечную энергию (CSP), когда собранное тепло используется для производства электроэнергии. CST и CSP не являются взаимозаменяемыми с точки зрения применения.
В отличие от фотоэлектрических элементов, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество, солнечные тепловые системы преобразуют его в тепло. Они используют зеркала или линзы для концентрации солнечного света на приемнике, который, в свою очередь, нагревает резервуар с водой. Нагретую воду затем можно использовать в домах. Преимущество солнечной тепловой энергии заключается в том, что нагретую воду можно хранить до тех пор, пока она не понадобится, что устраняет необходимость в отдельной системе хранения энергии. [1] Солнечную тепловую энергию также можно преобразовать в электричество, используя пар, полученный из нагретой воды, для приведения в действие турбины, подключенной к генератору. Однако, поскольку генерация электроэнергии таким способом намного дороже, чем на фотоэлектрических электростанциях, сегодня их используется очень мало. [2]
Огюстен Мушо продемонстрировал солнечный коллектор с охлаждающим двигателем, производящим мороженое, на Всемирной выставке в Париже в 1878 году . Первая установка оборудования для получения солнечной тепловой энергии произошла в Сахаре примерно в 1910 году Фрэнком Шуманом , когда паровой двигатель работал на пару, вырабатываемом солнечным светом. Поскольку двигатели на жидком топливе были разработаны и признаны более удобными, проект Сахары был заброшен, но к нему вернулись несколько десятилетий спустя. [3] По состоянию на 2023 год крупнейшая в мире тепловая солнечная электростанция находится в Объединенных Арабских Эмиратах . [4]
Системы для использования низкотемпературной солнечной тепловой энергии включают средства для сбора тепла; обычно хранение тепла, либо краткосрочное, либо межсезонное; и распределение в пределах структуры или сети централизованного теплоснабжения. В некоторых случаях одна функция может делать больше, чем одну из этих вещей (например, некоторые виды солнечных коллекторов также хранят тепло). Некоторые системы пассивны, другие активны (требуют другой внешней энергии для функционирования). [5]
Отопление является наиболее очевидным применением, но солнечное охлаждение может быть достигнуто для здания или для районного охлаждения с использованием абсорбционного или адсорбционного охладителя (теплового насоса), работающего на тепле. Существует продуктивное совпадение, что чем больше движущего тепла от инсоляции, тем больше выход охлаждения. В 1878 году Огюст Мушу стал пионером солнечного охлаждения, производя лед с помощью солнечного парового двигателя, прикрепленного к холодильному устройству. [6]
В Соединенных Штатах 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) энергии, используемой в жилых зданиях. [7] [8] Технологии солнечного отопления, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Самой популярной технологией солнечного отопления для отопления зданий является интегрированная в здание система сбора транспирированного солнечного воздуха , которая подключается к оборудованию HVAC здания. По данным Ассоциации солнечной энергетики, по состоянию на 2015 год в Северной Америке эксплуатируется более 500 000 м 2 (5 000 000 квадратных футов) таких панелей.
В Европе с середины 1990-х годов было построено около 125 крупных солнечных тепловых станций, каждая из которых имеет более 500 м 2 (5400 футов 2 ) солнечных коллекторов. Самые большие имеют площадь около 10 000 м 2 (2½ акра) и мощность 7 МВт тепловой энергии, а стоимость солнечного тепла без субсидий составляет около 4 евроцентов/кВт·ч. [9] 40 из них имеют номинальную мощность 1 МВт тепловой энергии или более. В программе солнечного централизованного теплоснабжения (SDH) принимают участие 14 европейских стран и Европейская комиссия, и она направлена на техническое и рыночное развитие, а также проводит ежегодные конференции. [10]
Застекленные солнечные коллекторы предназначены в первую очередь для отопления помещений. Они рециркулируют воздух здания через солнечную воздушную панель, где воздух нагревается и 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 комнатной температуры здания. Большинство застекленных коллекторов используются в жилом секторе.
.jpg/1280px-Canadair(compressed).jpg)
Неостекленные солнечные коллекторы в основном используются для предварительного нагрева воздуха для подпитки вентиляции в коммерческих, промышленных и институциональных зданиях с высокой вентиляционной нагрузкой. Они превращают стены зданий или секции стен в недорогие, высокопроизводительные, неостекленные солнечные коллекторы. Также называемые «прозрачными солнечными панелями» или « солнечной стеной », они используют окрашенный перфорированный металлический поглотитель солнечного тепла, который также служит внешней поверхностью стены здания. Передача тепла в воздух происходит на поверхности поглотителя, через металлический поглотитель и за поглотителем. Пограничный слой нагретого солнцем воздуха втягивается в близлежащую перфорацию, прежде чем тепло сможет выйти путем конвекции в наружный воздух. Затем нагретый воздух втягивается из-за пластины поглотителя в вентиляционную систему здания.
Стена Тромба — это пассивная система солнечного отопления и вентиляции , состоящая 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 через вентиляционные отверстия в верхней и нижней части стены. Во время цикла нагрева стена Тромба излучает сохраненное тепло. [11]
Солнечные кровельные пруды для солнечного отопления и охлаждения были разработаны Гарольдом Хеем в 1960-х годах. Базовая система состоит из установленного на крыше водяного пузыря с подвижным изоляционным покрытием. Эта система может контролировать теплообмен между внутренней и внешней средой, закрывая и открывая пузырь между ночью и днем. Когда возникает проблема с отоплением, пузырь открывается в течение дня, позволяя солнечному свету нагревать водяной пузырь и сохранять тепло для вечернего использования. Когда возникает проблема с охлаждением, закрытый пузырь забирает тепло из внутренней части здания в течение дня и открывается ночью, чтобы излучать тепло в более прохладную атмосферу. Дом Skytherm в Атаскадеро, Калифорния, использует прототип пруда на крыше для отопления и охлаждения. [12]
Солнечное отопление помещений с помощью солнечных воздушных тепловых коллекторов более популярно в США и Канаде, чем отопление с помощью солнечных жидкостных коллекторов, поскольку большинство зданий уже имеют систему вентиляции для отопления и охлаждения. Два основных типа солнечных воздушных панелей — застекленные и не застекленные.
Из 21 000 000 квадратных футов (2 000 000 м 2 ) солнечных тепловых коллекторов, произведенных в Соединенных Штатах в 2007 году, 16 000 000 квадратных футов (1 500 000 м 2 ) были низкотемпературными. [13] Низкотемпературные коллекторы обычно устанавливаются для нагрева бассейнов, хотя их также можно использовать для отопления помещений. Коллекторы могут использовать воздух или воду в качестве среды для передачи тепла к месту назначения. Бесплатная энергия солнца также может использоваться для нагрева воды для удовлетворения потребностей в горячей воде для бытовых нужд, например, горячей воды, которая течет из кранов. Солнечные тепловые водонагревательные системы могут обеспечить примерно 50% годового спроса на горячую воду для собственности (в зависимости от размера собственности, ее местоположения и т. д.), что, в свою очередь, может помочь домовладельцам сэкономить на счетах за электроэнергию. [14]
Набор зрелых технологий, называемых 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 питанием от солнца была разработана в первую очередь в Дании [15] , Германии [16] и Канаде [17] , а ее применение включает отдельные здания и сети централизованного теплоснабжения. Drake Landing Solar Community в Альберте, Канада, имеет небольшую районную систему и в 2012 году достигла мирового рекорда, обеспечив 97% круглогодичных потребностей сообщества в отоплении помещений за счет солнца. [18] Теплоаккумулирующие среды STES включают глубокие водоносные горизонты; естественные породы, окружающие кластеры скважин малого диаметра, оборудованных теплообменниками; большие, неглубокие, облицованные ямы, которые заполнены гравием и имеют верхнюю изоляцию; и большие, изолированные и заглубленные поверхностные резервуары для воды.
Круглосуточное централизованное районное отопление также возможно с использованием концентрированной солнечной тепловой электростанции (CST). [19]
Межсезонное хранение. Солнечное тепло (или тепло из других источников) может эффективно храниться между противоположными сезонами в водоносных горизонтах , подземных геологических пластах, больших специально построенных ямах и больших резервуарах, которые изолированы и покрыты землей.
Краткосрочное хранение. Материалы с тепловой массой сохраняют солнечную энергию в течение дня и высвобождают ее в более прохладные периоды. Распространенные материалы с тепловой массой включают камень, бетон и воду. Доля 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.
Во всем мире к 2011 году насчитывалось около 750 систем охлаждения с солнечными тепловыми насосами, а годовой рост рынка составил 40–70 % по сравнению с предыдущими семью годами. Это нишевый рынок, поскольку экономика сложна, а ежегодное количество часов охлаждения является ограничивающим фактором. Соответственно, ежегодное количество часов охлаждения составляет примерно 1000 в Средиземноморье, 2500 в Юго-Восточной Азии и всего 50–200 в Центральной Европе. Однако затраты на строительство системы снизились примерно на 50 % в период с 2007 по 2011 год. Целевые группы программы по солнечному отоплению и охлаждению (IEA-SHC) Международного энергетического агентства (МЭА) работают над дальнейшим развитием задействованных технологий. [20]
Солнечный дымоход (или тепловой дымоход) — это пассивная система солнечной вентиляции , состоящая из полой тепловой массы, соединяющей внутреннюю и внешнюю части здания. Когда дымоход нагревается, воздух внутри нагревается, вызывая восходящий поток , который протягивает воздух через здание. Эти системы использовались со времен Римской империи и остаются распространенными на Ближнем Востоке.
Системы солнечного технологического отопления предназначены для обеспечения больших объемов горячей воды или отопления нежилых зданий. [21]
Пруды-испарители — это мелкие пруды, в которых концентрируются растворенные твердые вещества путем испарения . Использование прудов-испарителей для получения соли из морской воды — одно из старейших применений солнечной энергии. Современное применение включает концентрирование солевых 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. [22]
Незастекленные транспирируемые коллекторы представляют собой перфорированные стены, обращенные к солнцу, используемые для предварительного нагрева вентиляционного воздуха. Транспирируемые коллекторы также могут быть установлены на крыше для круглогодичного использования и могут повышать температуру входящего воздуха до 22 °C (72 °F) и обеспечивать температуру на выходе 45-60 °C (110° - 140 °F). Короткий период окупаемости транспирируемых коллекторов (от 3 до 12 лет) делает их более экономичной альтернативой застекленным системам сбора. По состоянию на 2015 год по всему миру было установлено более 4000 систем с общей площадью коллектора 500 000 м 2 (100 акров). Среди представителей - коллектор площадью 860 м 2 (9300 кв. футов) в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен, и коллектор площадью 1300 м 2 (14 000 кв. футов) в Коимбатуре, Индия, используемый для сушки бархатцев. [23] [24]
На предприятии по переработке пищевых продуктов в Модесто, Калифорния, параболические желоба используются для производства пара, используемого в производственном процессе. Ожидается, что площадь коллектора в 5000 м2 будет обеспечивать 15 ТДж в год. [ 25]
Эти коллекторы могут использоваться для производства приблизительно 50% и более горячей воды, необходимой для жилых и коммерческих нужд в Соединенных Штатах. [26] В Соединенных Штатах типичная система стоит 4000–6000 долларов в розницу (1400–2200 долларов оптом за материалы), и 30% системы имеет право на федеральный налоговый кредит + дополнительный государственный кредит существует примерно в половине штатов. Работа по установке простой системы открытого контура 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. С этим стимулом срок окупаемости для типичного домохозяйства составляет от четырех до девяти лет, в зависимости от штата. Аналогичные субсидии существуют в некоторых частях Европы. Бригада из одного сантехника по солнечной энергетике и двух помощников с минимальной подготовкой может установить систему за день. Термосифонная установка имеет незначительные затраты на техническое обслуживание (затраты возрастают, если для циркуляции используются антифриз и электроэнергия) и в США снижает эксплуатационные расходы домохозяйства на 6 долларов США на человека в месяц. Солнечный водонагреватель может сократить выбросы CO2 семьи из четырех человек на 1 тонну в год (при замене природного газа) или на 3 тонны в год (при замене электричества). [27] Среднетемпературные установки могут использовать любую из нескольких конструкций: распространенные конструкции - это системы с гликолем под давлением, обратный слив, пакетные системы и более новые системы низкого давления, устойчивые к замерзанию, использующие полимерные трубы, содержащие воду с фотоэлектрической накачкой. Европейские и международные стандарты пересматриваются для учета инноваций в проектировании и эксплуатации среднетемпературных коллекторов. Эксплуатационные инновации включают эксплуатацию «постоянно смоченного коллектора». Это новшество снижает или даже устраняет возникновение высокотемпературных напряжений без 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 щепа для сжигания. Солнечная энергия также используется для пищевых продуктов, таких как фрукты, зерновые и рыба. Сушка урожая солнечными средствами является экологически чистой, а также экономически эффективной при улучшении качества. Чем меньше денег требуется для производства продукта, тем дешевле его можно продать, что радует как покупателей, так и продавцов. Технологии в солнечной сушке включают сверхдешевые насосные транспирируемые пластинчатые воздухоотводчики на основе черных тканей. Солнечная тепловая энергия полезна в процессе сушки продуктов, таких как щепа и другие формы биомассы, за счет повышения температуры, позволяя воздуху проходить и избавляться от влаги. [28]
Солнечные печи используют солнечный свет для приготовления пищи, сушки и пастеризации . Солнечная готовка компенсирует расходы на топливо, снижает потребность в топливе или дровах и улучшает качество воздуха за счет уменьшения или устранения источника дыма.
Самый простой тип солнечной печи — это ящичная печь, впервые построенная Орасом де Соссюром в 1767 году. Простая ящичная печь состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Эти печи могут эффективно использоваться при частично затянутом облаками небе и обычно достигают температуры 50–100 °C (от 100° до 200 °F). [29] [30]
Концентрирующие солнечные печи используют отражатели для концентрации солнечной энергии на контейнере для готовки. Наиболее распространенные геометрии отражателей — плоская пластина, диск и параболический желоб. Такие конструкции готовят быстрее и при более высоких температурах (до 350 °C; 660 °F), но для правильной работы им требуется прямой свет.
Солнечная кухня в Ауровиле , Индия, использует уникальную технологию концентрации, известную как солнечная чаша . В отличие от обычных систем с отслеживающим рефлектором/фиксированным приемником, солнечная чаша использует фиксированный сферический отражатель с приемником, который отслеживает фокус света по мере того, как Солнце движется по небу. Приемник солнечной чаши достигает температуры 150 °C (300 °F), которая используется для производства пара, помогающего готовить 2000 ежедневных блюд. [31]
Многие другие солнечные кухни в Индии используют другую уникальную технологию концентрации, известную как отражатель Шеффлера. Эта технология была впервые разработана Вольфгангом Шеффлером в 1986 году. Отражатель Шеффлера представляет собой параболическую тарелку, которая использует одноосевое отслеживание для отслеживания ежедневного хода Солнца. Эти отражатели имеют гибкую отражающую поверхность, которая способна изменять свою кривизну, чтобы приспособиться к сезонным изменениям угла падения солнечного света. Отражатели Шеффлера имеют преимущество в том, что имеют фиксированную фокусную точку, что упрощает приготовление пищи и способны достигать температур 450-650 °C (850 °F - 1200 °F). [32] Построенная в 1999 году организацией Brahma Kumaris , крупнейшая в мире система отражателей Шеффлера в Абу-Роуд, Раджастхан, Индия, способна готовить до 35 000 блюд в день. [33] К началу 2008 года по всему миру было построено более 2000 больших плит конструкции Шеффлера.
Солнечные дистилляторы могут использоваться для получения питьевой воды в районах, где чистая вода не распространена. Солнечная дистилляция необходима в таких ситуациях, чтобы обеспечить людей очищенной водой. Солнечная энергия нагревает воду в дистилляторе. Затем вода испаряется и конденсируется на дне покровного стекла. [28]
Доктор Линь Чжао из Массачусетского технологического института опубликовал рецензируемый академический журнал в Joule, в котором подробно описывается их проект солнечного автоклава для стерилизации хирургических инструментов без электричества. [34]
Прототип, включающий недорогой аэрогель , был успешно продемонстрирован в больнице в Мумбаи совместно с IIT Bombay , Индийским технологическим институтом . [35]
Там, где достаточно температур ниже 95 °C (200 °F), как и для отопления помещений, обычно используются плоские коллекторы неконцентрирующего типа. Из-за относительно высоких потерь тепла через остекление плоские коллекторы не будут достигать температур намного выше 200 °C (400 °F), даже когда теплоноситель находится в состоянии покоя. Такие температуры слишком низки для эффективного преобразования в электричество.
Эффективность тепловых двигателей увеличивается с температурой источника тепла. Для достижения этого в солнечных тепловых электростанциях солнечное излучение концентрируется зеркалами или линзами для получения более высоких температур — метод, называемый концентрированной солнечной энергией (CSP). Практический эффект высокой эффективности заключается в уменьшении размера коллектора электростанции и общего использования земли на единицу вырабатываемой мощности, что снижает воздействие электростанции на окружающую среду, а также ее расходы.
По мере повышения температуры становятся практичными различные формы преобразования. До 600 °C (1100 °F) паровые турбины , стандартная технология, имеют эффективность до 41%. Выше 600 °C (1100 °F) газовые турбины могут быть более эффективными. Более высокие температуры проблематичны, поскольку требуются другие материалы и технологии. Одним из предложений для очень высоких температур является использование жидких фторидных солей, работающих в диапазоне от 700 °C (1300 °F) до 800 °C (1500 °F), с использованием многоступенчатых турбинных систем для достижения 50% или более тепловой эффективности. [36] Более высокие рабочие температуры позволяют заводу использовать более высокотемпературные сухие теплообменники для своего теплового выхлопа, что снижает потребление воды заводом — критическое значение в пустынях, где большие солнечные установки практичны. Высокие температуры также делают хранение тепла более эффективным, поскольку на единицу жидкости сохраняется больше ватт-часов.
Коммерческие концентрирующие солнечные тепловые электростанции (CSP) были впервые разработаны в 1980-х годах. Крупнейшими в мире солнечными тепловыми электростанциями в настоящее время являются Ivanpah Solar Power Facility мощностью 370 МВт , введенная в эксплуатацию в 2014 году, и установка SEGS CSP мощностью 354 МВт, обе расположены в пустыне Мохаве в Калифорнии, где также были реализованы несколько других солнечных проектов .
Основным преимуществом CSP является возможность эффективного добавления теплового хранилища, что позволяет распределять электроэнергию в течение 24 часов. Поскольку пиковый спрос на электроэнергию обычно приходится примерно на 4–8 часов вечера, [37] многие электростанции CSP используют 3–5 часов теплового хранилища. При современных технологиях хранение тепла намного дешевле и эффективнее, чем хранение электроэнергии. Таким образом, установка CSP может вырабатывать электроэнергию днем и ночью. Если на участке CSP имеется предсказуемое солнечное излучение, то установка CSP становится надежной электростанцией. Надежность можно дополнительно повысить, установив резервную систему сгорания. Резервная система может использовать большую часть установки CSP, что снижает стоимость резервной системы.
При надежности, неиспользуемой пустыне, отсутствии загрязнения и отсутствии затрат на топливо препятствиями для масштабного развертывания CSP являются стоимость, эстетика, землепользование и аналогичные факторы для необходимых соединительных линий высокого напряжения. Хотя для удовлетворения мирового спроса на электроэнергию необходим лишь небольшой процент пустыни, все равно большая площадь должна быть покрыта зеркалами или линзами для получения значительного количества энергии. Важным способом снижения стоимости является использование простой конструкции.
При рассмотрении последствий землепользования, связанных с разведкой и добычей, а также транспортировкой и переработкой ископаемого топлива , которое используется для большей части нашей электроэнергии, солнечная энергия коммунального масштаба сравнивается с одним из наиболее эффективных с точки зрения землепользования энергетических ресурсов из имеющихся: [38]
Федеральное правительство выделило почти в 2000 раз больше площадей под аренду нефти и газа, чем под разработку солнечной энергии. В 2010 году Бюро по управлению земельными ресурсами одобрило девять крупных солнечных проектов с общей генерирующей мощностью 3682 мегаватт, что составляет около 40 000 акров. Напротив, в 2010 году Бюро по управлению земельными ресурсами 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 государственных земель на суше и еще 36,9 миллиона акров шельфовой разведки в Мексиканском заливе находятся в аренде для разработки, разведки и добычи нефти и газа. [38] [ проверка не удалась ]
В течение дня солнце имеет разные положения. Для систем с низкой концентрацией (и низкими температурами) можно избежать отслеживания (или ограничиться несколькими положениями в год), если использовать невизуализирующую оптику . [39] [40] Однако для более высоких концентраций, если зеркала или линзы не двигаются, то фокус зеркал или линз меняется. Требуется система отслеживания, которая отслеживает положение солнца. Система отслеживания увеличивает стоимость и сложность. Имея это в виду, можно различать разные конструкции по тому, как они концентрируют свет и отслеживают положение солнца.
Электростанции с параболическим желобом используют изогнутый зеркальный желоб, который отражает прямое солнечное излучение на стеклянную трубку с жидкостью (также называемую приемником, поглотителем или коллектором), проходящую по всей длине желоба, расположенную в фокусной точке отражателей. Желоб параболический вдоль одной оси и линейный по ортогональной оси. Для изменения ежедневного положения солнца перпендикулярно приемнику желоб наклоняется с востока на запад так, чтобы прямое излучение оставалось сфокусированным на приемнике. Однако сезонные изменения угла солнечного света параллельно желобу не требуют регулировки зеркал, поскольку свет просто концентрируется в другом месте на приемнике. 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 приемник и становится очень горячей. Обычными жидкостями являются синтетическое масло, расплавленная соль и пар под давлением. Жидкость, содержащая тепло, транспортируется в тепловой двигатель , где около трети тепла преобразуется в электричество.
Полномасштабные параболические системы желобов состоят из множества таких желобов, расположенных параллельно на большой площади земли. С 1985 года солнечная тепловая система, использующая этот принцип, находится в полной эксплуатации в Калифорнии в Соединенных Штатах . Она называется системой Solar Energy Generating Systems (SEGS). [41] Другие конструкции CSP не имеют такого длительного опыта, и поэтому в настоящее время можно сказать, что конструкция параболического желоба является наиболее тщательно проверенной технологией CSP.
SEGS представляет собой совокупность девяти установок общей мощностью 354 МВт и является крупнейшей в мире солнечной электростанцией, как тепловой, так и нетепловой, на протяжении многих лет. Более новая установка — Nevada Solar One мощностью 64 МВт. Солнечные электростанции Andasol мощностью 150 МВт находятся в Испании, каждая из которых имеет мощность 50 МВт. Однако следует отметить, что эти установки имеют теплоаккумуляторы, для которых требуется большее поле солнечных коллекторов относительно размера паровой турбины-генератора для одновременного хранения тепла и отправки тепла в паровую турбину. Теплоаккумуляторы позволяют лучше использовать паровую турбину. Благодаря дневной и частично ночной работе паровой турбины Andasol 1 при пиковой мощности 50 МВт вырабатывает больше энергии, чем Nevada Solar One при пиковой мощности 64 МВт, благодаря системе хранения тепловой энергии и большему солнечному полю прежней установки. Генераторная станция Solana мощностью 280 МВт была введена в эксплуатацию в Аризоне в 2013 году с 6 часами накопления энергии. Интегрированная солнечная электростанция комбинированного цикла Hassi R'Mel в Алжире и Центр солнечной энергетики Martin Next Generation 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, чтобы противостоять стихиям, которые могут негативно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы. [42]
Легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечный свет, подвешены внутри конструкции теплицы. Одноосевая система слежения позиционирует зеркала для отслеживания солнца и фокусировки его света на сеть стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. [43] Пар генерируется напрямую, с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода течет от впускного отверстия по всей 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 температурных показателей и предотвращает накопление пыли в результате воздействия влажности. [42] 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. [44]
Закрытая система желобов GlassPoint использовалась на предприятии Miraah в Омане , а недавно было объявлено о новом проекте компании по внедрению ее технологии закрытых желобов на нефтяном месторождении South Belridge , недалеко от Бейкерсфилда, Калифорния . [45]
Энергетические башни (также известные как электростанции «центральной башни» или электростанции « гелиостата ») захватывают и фокусируют тепловую энергию солнца с помощью тысяч отслеживающих зеркал (называемых гелиостатами) на поле площадью примерно в две квадратные мили. Башня находится в центре поля гелиостата. Гелиостаты фокусируют концентрированный солнечный свет на приемнике, который находится на вершине башни. Внутри приемника концентрированный солнечный свет нагревает расплавленную соль до температуры более 1000 °F (538 °C). Затем нагретая расплавленная соль поступает в тепловой резервуар, где она хранится, поддерживая 98% тепловой эффективности , и в конечном итоге перекачивается в парогенератор. Пар приводит в действие стандартную турбину для выработки электроэнергии. Этот процесс, также известный как « цикл Ренкина », похож на стандартную угольную электростанцию, за исключением того, что она работает на солнечной энергии.
Преимущество этой конструкции над конструкцией параболического желоба заключается в более высокой температуре. Тепловая энергия при более высоких температурах может быть преобразована в электричество более эффективно и может быть более дешево сохранена для последующего использования. Кроме того, меньше необходимости в выравнивании поверхности земли. В принципе, силовая башня может быть построена на склоне холма. Зеркала могут быть плоскими, а водопровод сосредоточен в башне. Недостатком является то, что каждое зеркало должно иметь собственное двухосное управление, в то время как в конструкции параболического желоба одноосное отслеживание может быть общим для большого массива зеркал.
Сравнение стоимости/производительности между концентраторами с башней и параболическими желобами было проведено NREL, которая подсчитала, что к 2020 году электроэнергия может быть произведена башнями по цене 5,47 ¢/кВт·ч и по 6,21 ¢/кВт·ч параболическими желобами. Коэффициент мощности для башен оценивается в 72,9% и 56,2% для параболических желобов. [46] Есть некоторая надежда, что разработка дешевых, долговечных, массово производимых компонентов гелиостатной электростанции может снизить эту стоимость. [47]
Первой коммерческой башенной электростанцией была PS10 в Испании мощностью 11 МВт, завершенная в 2007 году. С тех пор было предложено несколько установок, несколько из них были построены в ряде стран (Испания, Германия, США, Турция, Китай, Индия), но несколько предложенных установок были отменены, поскольку цены на фотоэлектрическую солнечную энергию резко упали. Солнечная башня была введена в эксплуатацию в Южной Африке в 2016 году. [48] Установка солнечной энергии Ivanpah в Калифорнии вырабатывает 392 МВт электроэнергии с трех башен, что делает ее крупнейшей солнечной башенной электростанцией на момент ее ввода в эксплуатацию в конце 2013 года.
Система тарелки Стирлинга использует большую, отражающую, параболическую тарелку (похожую по форме на тарелку спутникового телевидения). Она фокусирует весь солнечный свет, который падает на тарелку, в одну точку над тарелкой, где приемник улавливает тепло и преобразует его в полезную форму. Обычно тарелка соединена с двигателем Стирлинга в системе тарелки-Стирлинга, но иногда используется и паровой двигатель . [49] Они создают вращательную кинетическую энергию, которая может быть преобразована в электричество с помощью электрогенератора. [50]
В 2005 году Southern California Edison объявила о соглашении о покупке двигателей Стирлинга на солнечных батареях у Stirling Energy Systems в течение двадцатилетнего периода и в количествах (20 000 единиц), достаточных для выработки 500 мегаватт электроэнергии. В январе 2010 года Stirling Energy Systems и Tessera Solar ввели в эксплуатацию первую демонстрационную электростанцию мощностью 1,5 мегаватта («Maricopa Solar») с использованием технологии Стирлинга в Пеории, штат Аризона. [51] В начале 2011 года подразделение разработки 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. [52] [53] В 2012 году завод Maricopa был куплен и демонтирован компанией United Sun Systems . [54] United Sun Systems выпустила систему нового поколения , основанную на V-образном двигателе Стирлинга и пиковой производительностью 33 кВт. Новая технология CSP-Stirling снижает LCOE до 0,02 долл. США в масштабах коммунального обслуживания. [ необходима цитата ]
По данным разработчика, шведской фирмы Rispasso Energy, в 2015 году ее система Dish Sterling, испытанная в пустыне Калахари в Южной Африке, показала эффективность 34%. [55]
Линейная электростанция с рефлектором Френеля использует ряд длинных, узких, с малой кривизной (или даже плоских) зеркал 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 направлены на снижение общих затрат за счет совместного использования приемника несколькими зеркалами (по сравнению с концепциями желоба и тарелки), при этом по-прежнему используя простую геометрию линейного фокуса с одной осью для отслеживания. Это похоже на конструкцию желоба (и отличается от центральных башен и тарелок с двойной осью). Приемник неподвижен, поэтому не требуются гидравлические муфты (как в желобах и тарелках). Зеркала также не должны поддерживать приемник, поэтому они конструктивно проще. При использовании подходящих стратегий нацеливания (зеркала направлены на разные приемники в разное время суток) это может позволить более плотную упаковку зеркал на доступной площади земли.
Конкурирующие технологии отслеживания по одной оси включают относительно новые технологии линейного отражателя Френеля (LFR) и компактного LFR (CLFR). LFR отличается от технологии параболического желоба тем, что поглотитель зафиксирован в пространстве над полем зеркала. Кроме того, отражатель состоит из множества сегментов низкого ряда, которые совместно фокусируются на приподнятом длинном башенном приемнике, идущем параллельно оси вращения отражателя. [56]
Прототипы концентраторов линз Френеля были созданы компанией International Automated Systems для сбора тепловой энергии . [57] Не известно ни об одной работающей полномасштабной тепловой системе с использованием линз Френеля, хотя продукты, включающие линзы Френеля в сочетании с фотоэлектрическими элементами, уже доступны. [58]
MicroCSP используется на электростанциях общественного назначения (мощностью от 1 МВт до 50 МВт), в промышленных, сельскохозяйственных и производственных целях для получения «технологического тепла», а также в случаях, когда требуется большое количество горячей воды, например, в курортных бассейнах, аквапарках, крупных прачечных, для стерилизации, дистилляции и других подобных целей.
Тепло в солнечной тепловой системе руководствуется пятью основными принципами: получение тепла; передача тепла ; хранение тепла ; транспортировка тепла ; и теплоизоляция . [59] Здесь тепло является мерой количества тепловой энергии, содержащейся в объекте, и определяется температурой, массой и удельной теплоемкостью объекта. Солнечные тепловые электростанции используют теплообменники, которые предназначены для постоянных рабочих условий, чтобы обеспечить теплообмен. Медные теплообменники важны в солнечных тепловых системах 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 приемниках, так и в первичных контурах (трубах и теплообменниках для водяных баков) солнечных тепловых систем. [60]
Теплоприток — это тепло, накопленное в системе от солнца. Солнечное тепло удерживается 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) производятся, когда коротковолновое излучение попадает на пластину абсорбера, которая затем удерживается внутри коллектора. Жидкость, обычно вода, в трубках абсорбера собирает удерживаемое тепло и переносит его в хранилище тепла.
Тепло передается либо путем теплопроводности, либо путем конвекции. Когда вода нагревается, кинетическая энергия передается путем теплопроводности молекулам воды по всей среде. Эти молекулы распространяют свою тепловую энергию путем теплопроводности и занимают больше места, чем холодные медленно движущиеся молекулы над ними. Распределение энергии от восходящей горячей воды к нисходящей холодной воде способствует процессу конвекции. Тепло передается от пластин-поглотителей коллектора в жидкость путем теплопроводности. Жидкость коллектора циркулирует по несущим трубам в камеру теплопередачи. Внутри камеры тепло передается по всей среде путем конвекции.
Аккумулирование тепла позволяет солнечным тепловым электростанциям вырабатывать электроэнергию в часы без солнечного света. Тепло передается в теплоаккумулирующий носитель в изолированном резервуаре в часы с солнечным светом и извлекается для выработки электроэнергии в часы без солнечного света. Теплоаккумулирующие носители будут обсуждаться в разделе, посвященном аккумулированию тепла. Скорость теплопередачи связана с кондуктивной и конвекционной средой, а также с разницей температур. Тела с большой разницей температур передают тепло быстрее, чем тела с меньшей разницей температур.
Передача тепла относится к деятельности, в которой тепло от солнечного коллектора транспортируется в хранилище тепла. Теплоизоляция жизненно важна как для трубок передачи тепла, так и для хранилища. Она предотвращает потерю тепла, что в свою очередь связано с потерей энергии или снижением эффективности системы.
Аккумулирование тепла позволяет солнечной тепловой электростанции вырабатывать электроэнергию ночью и в пасмурные дни. Это позволяет использовать солнечную энергию для генерации базовой нагрузки , а также для пиковой генерации , с потенциалом вытеснения как угольных, так и газовых электростанций . Кроме того, использование генератора выше, что снижает стоимость. Даже краткосрочное хранение может помочь, сглаживая « утиную кривую » быстрого изменения требований к генерации на закате, когда сеть включает в себя большие объемы солнечной мощности.
Тепло передается в теплоаккумулирующую среду в изолированном резервуаре в течение дня и извлекается для выработки электроэнергии ночью. Теплоаккумулирующие среды включают в себя сжатый пар, бетон, различные материалы с фазовым переходом и расплавленные соли , такие как нитрат кальция, натрия и калия. [61] [62]
Солнечная электростанция PS10 хранит тепло в резервуарах в виде сжатого пара при давлении 50 бар (700 фунтов на квадратный дюйм) и температуре 285 °C (545 °F). Пар конденсируется и снова превращается в пар при понижении давления. Хранение длится один час. Предполагается, что возможно более длительное хранение, но это не было доказано на существующей электростанции. [63]
Расплавленная соль используется для транспортировки тепла в системах солнечных электростанций, поскольку она жидкая при атмосферном давлении, является недорогим средством для хранения тепловой энергии, ее рабочие температуры совместимы с современными паровыми турбинами, и она не воспламеняется и нетоксична. Расплавленная соль также используется в химической и металлургической промышленности для транспортировки тепла.
Первая коммерческая расплавленная солевая смесь представляла собой обычную форму селитры , 60% нитрата натрия и 40% нитрата калия . Селитра плавится при 220 °C (430 °F) и сохраняется в жидком состоянии при 290 °C (550 °F) в изолированном резервуаре для хранения. Нитрат кальция может снизить температуру плавления до 131 °C (268 °F), что позволяет извлекать больше энергии до того, как соль замерзнет. В настоящее время существует несколько технических сортов нитрата кальция, устойчивых при температуре более 500 °C (1000 °F).
Эта солнечная энергосистема может вырабатывать электроэнергию в пасмурную погоду или ночью, используя тепло в баке с горячей солью. Баки изолированы и могут хранить тепло в течение недели. Баки, которые питают турбину мощностью 100 мегаватт в течение четырех часов, будут иметь высоту около 9 м (30 футов) и диаметр 24 м (80 футов).
Электростанция Andasol в Испании — первая коммерческая солнечная тепловая электростанция, использующая расплавленную соль для хранения тепла и ночной генерации. Она была введена в эксплуатацию в марте 2009 года. [65] 4 июля 2011 года компания в Испании отпраздновала исторический момент для солнечной промышленности: концентрирующая солнечная электростанция Torresol мощностью 19,9 МВт стала первой в истории, которая непрерывно вырабатывала электроэнергию в течение 24 часов подряд, используя для этого расплавленную соль. [66]
В январе 2019 года проект фототермальной электростанции Shouhang Energy Saving Dunhuang 100 МВт с башней из расплавленной соли был подключен к сети и начал работу. Его конфигурация включает 11-часовую систему хранения тепла из расплавленной соли и может генерировать электроэнергию непрерывно в течение 24 часов. [67]
Материалы с фазовым переходом (PCM) предлагают альтернативное решение в области хранения энергии. [68] Используя похожую инфраструктуру теплопередачи, PCM имеют потенциал для предоставления более эффективного средства хранения. PCM могут быть как органическими, так и неорганическими материалами. Преимущества органических PCM включают отсутствие коррозионных веществ, низкое или отсутствующее переохлаждение, а также химическую и термическую стабильность. Недостатки включают низкую энтальпию фазового перехода, низкую теплопроводность и воспламеняемость. Неорганические материалы имеют преимущества с большей энтальпией фазового перехода, но демонстрируют недостатки с переохлаждением, коррозией, разделением фаз и отсутствием термической стабильности. Большая энтальпия фазового перехода в неорганических PCM делает гидратные соли сильным кандидатом в области хранения солнечной энергии. [69]
Проект, требующий воды для конденсации или охлаждения, может конфликтовать с размещением солнечных тепловых электростанций в пустынных районах с хорошей солнечной радиацией, но ограниченными водными ресурсами. Конфликт иллюстрируется планами Solar Millennium , немецкой компании, построить завод в долине Амаргоса в Неваде, которому потребуется 20% воды, доступной в этом районе. Некоторые другие проектируемые заводы той же и других компаний в пустыне Мохаве в Калифорнии также могут быть затронуты трудностями в получении адекватных и соответствующих прав на воду. Водный закон Калифорнии в настоящее время запрещает использование питьевой воды для охлаждения. [70]
Другие конструкции требуют меньше воды. Solar Power Facility в юго-восточной Калифорнии сохраняет дефицитную воду пустыни, используя воздушное охлаждение для преобразования пара обратно в воду. По сравнению с обычным влажным охлаждением, это приводит к 90% сокращению использования воды за счет некоторой потери эффективности. Затем вода возвращается в котел в закрытом процессе, который является экологически чистым. [71]
Из всех этих технологий солнечная тарелка/двигатель Стирлинга имеет самую высокую энергоэффективность . Одна солнечная тарелка- двигатель Стирлинга, установленная в Национальном испытательном центре солнечных тепловых лабораторий Сандиа (NSTTF) , производит до 25 кВт электроэнергии с эффективностью преобразования 31,25%. [72]
Были построены солнечные параболические установки с эффективностью около 20%. [ необходима цитата ] Френелевские отражатели имеют немного меньшую эффективность (но это компенсируется более плотной упаковкой).
Валовая эффективность 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. 500-мегаваттная (МВт) установка SCE/SES будет извлекать около 2,75% излучения (1 кВт/м 2 ; см. обсуждение в разделе Солнечная энергия ), которое приходится на ее 4500 акров (18,2 км 2 ). [73] Для 50-мегаваттной электростанции AndaSol [74] , которая строится в Испании (общая площадь 1,95 км 2 ; ¾ кв. мили), валовая эффективность преобразования составляет 2,6%.
Эффективность не имеет прямого отношения к стоимости: общая стоимость включает стоимость строительства и обслуживания.
% солнечной энергии, попадающей на зеркала, преобразуется непосредственно в доступную для сети электроэнергию
