Toren thermische zonne-energiecentrales, systemen voor het concentreren van zonne-energie

De zon is een bron van extreem "schone" energie. Tegenwoordig ontwikkelt het werk over het gebruik van de zon zich over de hele wereld in vele richtingen. Allereerst ontwikkelt zich de zogenaamde kleine energie-industrie, die voornamelijk bestaat uit gebouwverwarming en warmtevoorziening. Maar op het gebied van grootschalige energie zijn al serieuze stappen gezet: er worden zonne-energiecentrales gerealiseerd op basis van fotoconversie en thermische conversie. In dit artikel vertellen we je over de vooruitzichten van stations uit de tweede richting.

Concentrated Solar Power-technologie, wereldwijd bekend als CSP (Concentrated Solar Power), is een soort zonne-energiecentrale die spiegels of lenzen gebruikt om grote hoeveelheden zonlicht in een klein gebied te concentreren.

CSP moet niet worden verward met geconcentreerde fotovoltaïsche cellen, ook wel bekend als CPV (geconcentreerde fotovoltaïsche cellen). Bij CSP wordt geconcentreerd zonlicht omgezet in warmte en de warmte wordt vervolgens omgezet in elektriciteit.Daarentegen wordt in CPV geconcentreerd zonlicht direct omgezet in elektriciteit via fotoëlektrisch effect.

Industrieel gebruik van zonneconcentratoren

Zonne energie

De zon zendt een krachtige stroom stralingsenergie in de richting van de aarde. Zelfs als we er rekening mee houden dat 2/3 ervan wordt gereflecteerd en verspreid door de atmosfeer, ontvangt het aardoppervlak nog steeds 1018 kWh aan energie in 12 maanden, wat 20.000 keer meer is dan de wereld verbruikt in een jaar.

Het is logisch dat het gebruik van deze onuitputtelijke bron van energie voor praktische doeleinden altijd erg verleidelijk is geweest. De tijd verstreek echter, de mens op zoek naar energie creëerde een warmtemotor, blokkeerde rivieren, spleet een atoom en de zon bleef in de vleugels wachten.

Waarom is het zo moeilijk om zijn energie te beheersen? Ten eerste verandert de intensiteit van de zonnestraling gedurende de dag, wat buitengewoon onhandig is voor consumptie. Dit betekent dat het zonnestation een accu-installatie moet hebben of moet samenwerken met andere bronnen. Maar dit is nog niet het grootste nadeel. Veel erger is dat de dichtheid van zonnestraling aan het aardoppervlak erg laag is.

Dus in de zuidelijke regio's van Rusland is het slechts 900 - 1000 W / m2... Dit is alleen voldoende om het water in de eenvoudigste collectoren te verwarmen tot temperaturen van niet meer dan 80 - 90 ° C.

Het is geschikt voor warmwatervoorziening en deels voor verwarming, maar in geen geval voor elektriciteitsopwekking. Hier zijn veel hogere temperaturen nodig. Om de fluxdichtheid te verhogen, is het noodzakelijk om het uit een groot gebied te verzamelen en het te transformeren van verstrooid naar geconcentreerd.

Energieproductie met zonneconcentratiesystemen

Methoden voor het concentreren van zonne-energie zijn al sinds de oudheid bekend.Er is een legende bewaard gebleven over hoe de grote Archimedes, met behulp van concave gepolijste koperen spiegels, de Romeinse vloot verbrandde die haar belegerde in de 3e eeuw voor Christus. NS. Syracuse. En hoewel deze legende niet wordt bevestigd door historische documenten, is de mogelijkheid om in de focus van een parabolische spiegel elke substantie te verwarmen tot temperaturen van 3500 - 4000 ° C een onbetwistbaar feit.

Pogingen om parabolische spiegels te gebruiken om bruikbare energie op te wekken, begonnen in de tweede helft van de 19e eeuw. Er werd bijzonder intensief gewerkt in de VS, Engeland en Frankrijk.

Een experimentele parabolische spiegel voor het gebruik van thermische zonne-energie in Los Angeles, VS (circa 1901).

In 1866 gebruikte Augustin Mouchaud een parabolische cilinder om stoom op te wekken in de eerste zonnestoommachine.

De zonne-energiecentrale van A. Mouchaud, gedemonstreerd op de Wereldtentoonstelling van 1882 in Parijs, maakte grote indruk op tijdgenoten.

Het eerste patent voor een zonnecollector werd verkregen door de Italiaan Alessandro Battaglia in Genua (Italië) in 1886. In de daaropvolgende jaren ontwikkelden uitvinders als John Erickson en Frank Schumann apparaten die werken door zonne-energie te concentreren voor irrigatie, koeling en beweging.

Zonnemotor, 1882

De zonnecentrale van Frank Schumann in Caïro

In 1912 werd in de buurt van Caïro de eerste zonne-energiecentrale met een vermogen van 45 kW gebouwd met parabolisch-cilindrische concentratoren met een totale oppervlakte van 1200 m22 die werd gebruikt in het irrigatiesysteem. Buizen werden in het brandpunt van elke spiegel geplaatst. De zonnestralen waren geconcentreerd op hun oppervlak.Het water in de leidingen verandert in stoom, die in een gemeenschappelijke opvangbak wordt opgevangen en naar de stoommachine wordt gevoerd.

In het algemeen moet worden opgemerkt dat dit een periode was waarin het geloof in de fantastische focusserende kracht van spiegels veel geesten greep. A. Tolstoy's roman "The Hyperboloid of Engineer Garin" werd een soort bewijs van deze hoop.

In een aantal industrieën worden dergelijke spiegels inderdaad veel gebruikt. Op dit principe hebben veel landen ovens gebouwd voor het smelten van zeer zuivere vuurvaste materialen. Zo heeft Frankrijk de grootste oven ter wereld met een vermogen van 1 MW.

En hoe zit het met installaties voor het opwekken van elektrische energie? Hier hebben wetenschappers met een aantal moeilijkheden te maken gehad. Allereerst bleken de kosten van scherpstelsystemen met complexe spiegeloppervlakken erg hoog. Naarmate de grootte van de spiegels toeneemt, nemen de kosten ook exponentieel toe.

Maak ook een spiegel met een oppervlakte van 500 - 600 m2 technisch moeilijk, en je kunt er niet meer dan 50 kW aan vermogen uit halen. Het is duidelijk dat onder deze omstandigheden het eenheidsvermogen van de zonne-ontvanger aanzienlijk beperkt is.

En nog een belangrijke overweging over gebogen spiegelsystemen. Uit losse modules kunnen in principe vrij grote systemen worden samengesteld.

Zie hier voor huidige installaties van dit type: Voorbeelden van het gebruik van zonneconcentratoren

Parabolische trog gebruikt bij de Lockhart Concentrated Solar Power Plant nabij Harper Lake, Californië (Mojave Solar Project)

In veel landen zijn soortgelijke energiecentrales gebouwd. Er is echter een ernstig nadeel aan hun werk: de moeilijkheid om energie te verzamelen.Elke spiegel heeft immers zijn eigen dampgenerator in de focus, en ze zijn allemaal verspreid over een groot gebied. Dit betekent dat de stoom uit veel zonne-ontvangers moet worden verzameld, wat de kosten van het station enorm bemoeilijkt en verhoogt.

Zonne toren

Al in de vooroorlogse jaren kwam de ingenieur N.V. Linitsky met het idee van een thermische zonne-energiecentrale met een centrale zonne-ontvanger op een hoge toren (zonne-energiecentrale van het torentype).

Eind jaren veertig ontdekten wetenschappers van het State Research Institute of Energy (ENIN), vernoemd naar V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum en B. A. Garf ontwikkelden een wetenschappelijk concept voor de oprichting van een dergelijk station. Ze stelden voor om de complexe, dure gebogen spiegels achterwege te laten en ze te vervangen door de eenvoudigste platte heliostaten.

Het werkingsprincipe van zonne-energiecentrales vanuit een toren is vrij eenvoudig. De zonnestralen worden gereflecteerd door meerdere heliostaten en naar het oppervlak van een centrale ontvanger geleid - een zonnestoomgenerator die op de toren is geplaatst.

In overeenstemming met de positie van de zon aan de hemel, verandert ook de oriëntatie van heliostaten automatisch. Als resultaat verwarmt een geconcentreerde stroom zonlicht, gereflecteerd door honderden spiegels, gedurende de dag de stoomgenerator.

Verschil tussen SPP-ontwerpen met parabolische concentrators, SPP met schijfconcentrators en SPP vanuit een toren

Deze oplossing bleek even simpel als origineel. Maar het belangrijkste was dat het in principe mogelijk werd om grote zonnecentrales te maken met een eenheidsvermogen van honderdduizenden kW.

Sindsdien heeft het concept van thermische zonne-energiecentrales van het torentype wereldwijde erkenning gekregen. Pas eind jaren zeventig werden dergelijke stations met een vermogen van 0,25 tot 10 MW gebouwd in de VS, Frankrijk, Spanje, Italië en Japan.

SES Themis zonnetoren in de Pyrénées-Orientales in Frankrijk

Volgens dit Sovjetproject werd in 1985 op de Krim, nabij de stad Shtelkino, een experimentele zonne-energiecentrale van het type toren met een capaciteit van 5 MW (SES-5) gebouwd.

In SES-5 wordt een open cirkelvormige stoomgenerator op zonne-energie gebruikt, waarvan de oppervlakken, zoals ze zeggen, open zijn voor alle winden. Daarom nemen bij lage omgevingstemperaturen en hoge windsnelheden de convectieverliezen sterk toe en neemt het rendement aanzienlijk af.

Er wordt nu aangenomen dat ontvangers van het caviteitstype veel efficiënter zijn. Hier zijn alle oppervlakken van de stoomgenerator gesloten, waardoor convectie- en stralingsverliezen sterk worden verminderd.

Door de lage stoomparameters (250 °C en 4MPa) is het thermisch rendement van SES-5 slechts 0,32.

Na 10 jaar in bedrijf te zijn geweest, werd SES-5 op de Krim in 1995 gesloten en in 2005 werd de toren overgedragen voor schroot.

Model SES-5 in het Polytechnisch Museum

Torenzonne-energiecentrales die momenteel in bedrijf zijn, gebruiken nieuwe ontwerpen en systemen die gesmolten zouten (40% kaliumnitraat, 60% natriumnitraat) als werkvloeistoffen gebruiken. Deze werkvloeistoffen hebben een hogere warmtecapaciteit dan zeewater, dat werd gebruikt in de eerste experimentele installaties.

Technologisch diagram van een moderne zonne-energiecentrale

Moderne toren zonne-energiecentrale

Zonne-energiecentrales zijn natuurlijk een nieuwe en gecompliceerde business en hebben natuurlijk genoeg tegenstanders. Veel van de twijfels die ze uiten hebben heel goede redenen, maar men kan het nauwelijks met anderen eens zijn.

Er wordt bijvoorbeeld vaak gezegd dat er grote landoppervlakken nodig zijn om torenzonne-energiecentrales te bouwen. De gebieden waar brandstof wordt geproduceerd voor de werking van traditionele energiecentrales kunnen echter niet worden uitgesloten.

Er is nog een overtuigender argument voor zonne-energiecentrales in torens. Het specifieke gebied van het land dat wordt overspoeld door kunstmatige reservoirs van waterkrachtcentrales is 169 hectare / MW, wat vele malen hoger is dan de indicatoren van dergelijke zonne-energiecentrales. Bovendien komen tijdens de bouw van waterkrachtcentrales zeer waardevolle vruchtbare gronden vaak onder water te staan, en toren-SPP's zouden in woestijngebieden moeten worden gebouwd - op land dat noch geschikt is voor landbouw, noch voor de bouw van industriële faciliteiten.

Een andere reden voor kritiek op toren-SPP's is het hoge materiaalverbruik. Er bestaat zelfs twijfel of SES de energie die wordt besteed aan de productie van apparatuur en het verkrijgen van materialen die voor de constructie ervan zijn gebruikt, tijdens de geschatte bedrijfsperiode zal kunnen terugbetalen.

Dergelijke installaties zijn inderdaad materiaalintensief, maar het is van essentieel belang dat vrijwel alle materialen waaruit moderne zonne-energiecentrales worden gebouwd, niet schaars zijn.Economische berekeningen uitgevoerd na de lancering van de eerste moderne torenzonne-energiecentrales toonden hun hoge efficiëntie en vrij gunstige terugverdientijden aan (zie hieronder voor voorbeelden van economisch succesvolle projecten).

Een andere reserve voor het verhogen van de efficiëntie van zonne-energiecentrales met een toren is het creëren van hybride centrales, waarin zonne-energiecentrales zullen samenwerken met conventionele thermische centrales van traditionele brandstof. plant vermindert zijn vermogen en 'versnelt' bij bewolkt weer en bij piekbelastingen.

Voorbeelden van moderne zonne-energiecentrales

In juni 2008 opende Bright Source Energy een ontwikkelingscentrum voor zonne-energie in de Israëlische Negev-woestijn.

Op de site staat het op industrieterrein Rotema, zijn er meer dan 1.600 heliostaten geïnstalleerd die de zon volgen en licht weerkaatsen op een 60 meter hoge zonnetoren. De geconcentreerde energie wordt vervolgens gebruikt om de ketel op de top van de toren te verwarmen tot 550°C, waardoor stoom wordt gegenereerd die naar een turbine wordt gestuurd waar elektriciteit wordt opgewekt. Vermogen centrale 5 MW.

In 2019 bouwde hetzelfde bedrijf een nieuwe energiecentrale in de Negev-woestijn —Asjalim… Toya De centrale bestaat uit drie delen met drie verschillende technologieën en combineert drie soorten energie: thermische zonne-energie, fotovoltaïsche energie en aardgas (hybride energiecentrale). Het geïnstalleerd vermogen van de zonnetoren is 121 MW.

Het station bevat 50.600 computergestuurde heliostaten, genoeg om 120.000 huizen van stroom te voorzien. De hoogte van de toren is 260 meter.Het was de hoogste ter wereld, maar werd onlangs overtroffen door de 262,44 meter hoge zonnetoren in het Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park.

Een elektriciteitscentrale in de Negev-woestijn in Israël

In de zomer van 2009 bouwde het Amerikaanse bedrijf eSolar een zonnetoren Sierra Zonnetoren voor een energiecentrale van 5 MW in Lancaster, Californië, ongeveer 80 km ten noorden van Los Angeles.De energiecentrale beslaat een gebied van ongeveer 8 hectare in een droge vallei ten westen van de Mojave-woestijn op 35° noorderbreedte.

Sierra Zonnetoren

Op 9 september 2009 werd op basis van het voorbeeld van bestaande energiecentrales geschat dat de kosten voor het bouwen van een torenzonne-energiecentrale (CSP) $ 2,5 tot $ 4 per watt bedragen, terwijl de brandstof (zonnestraling) gratis is . Zo kost de bouw van zo'n energiecentrale met een capaciteit van 250 MW 600 tot 1000 miljoen dollar. Dit betekent van 0,12 tot 0,18 dollar / kWh.

Er werd ook vastgesteld dat nieuwe CSP-fabrieken economisch kunnen concurreren met fossiele brandstoffen.

Nathaniel Bullard, een analist bij Bloomberg New Energy Finance, schatte dat de kosten van elektriciteit opgewekt door de Iwanpa zonne-energiecentrale, gelanceerd in 2014, lager zijn dan elektriciteit opgewekt door Fotovoltaïsche energiecentrale, en is bijna hetzelfde als elektriciteit uit een aardgascentrale.

De meest bekende van de zonne-energiecentrales van dit moment is de energiecentrale Gemasolair met een vermogen van 19,9 MW, gelegen ten westen van de stad Esia in Andalusië (Spanje). De centrale werd op 4 oktober 2011 ingehuldigd door koning Juan Carlos van Spanje.

Elektriciteitscentrale Gemsolar

Dit project, dat een subsidie ​​van 5 miljoen euro kreeg van de Europese Commissie, maakt gebruik van technologie die is getest door het Amerikaanse bedrijf Solar Two:

• 2.493 heliostaten met een totale oppervlakte van 298.000 m2 gebruiken glas met een betere reflectiviteit, waarvan het vereenvoudigde ontwerp de productiekosten met 45% verlaagt.

• Een groter WKO-systeem met een capaciteit van 8.500 ton gesmolten zouten (nitraten), dat een autonomie van 15 uur (ongeveer 250 MWh) biedt bij afwezigheid van zonlicht.

• Verbeterd pompontwerp waardoor zouten rechtstreeks uit opslagtanks kunnen worden gepompt zonder dat er een opvangbak nodig is.

• Stoomopwekkingssysteem inclusief geforceerde recirculatie van stoom.

• Stoomturbine met hogere druk en hoger rendement.

• Vereenvoudigd circulatiecircuit voor gesmolten zout, halvering van het aantal benodigde kleppen.

De energiecentrale (toren en heliostaten) beslaat een totale oppervlakte van 190 hectare.

SPP Gemasolar zonnetoren

Abengoa heeft gebouwd Hé zonnige in Zuid-Afrika — een elektriciteitscentrale met een hoogte van 205 meter en een vermogen van 50 MW. De openingsceremonie vond plaats op 27 augustus 2013.

Hé zonnige

Ivanpah zonne-elektrisch opwekkingssysteem - een zonne-energiecentrale van 392 megawatt (MW) in de Mojave-woestijn in Californië, 64 kilometer ten zuidwesten van Las Vegas. De centrale werd op 13 februari 2014 in gebruik genomen.

Ivanpah zonne-elektrisch opwekkingssysteem

De jaarlijkse output van dit MVI dekt het verbruik van 140.000 huishoudens. 173.500 heliostaatspiegels geïnstalleerd die zonne-energie richten op stoomgeneratoren op drie centrale zonnetorens.

In maart 2013 werd een overeenkomst getekend met Bright Source Energy om een ​​elektriciteitscentrale te bouwen Verbrand in Californië, bestaande uit twee torens van 230 m (elk 250 MW), ingebruikname gepland voor 2021.

Andere operationele energiecentrales met zonnetorens: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marokko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, VS, 2016), SUPCON Delingha en Shouhang Dunhuang (Kathai, beide 2018.), Gonghe, Luneng Haixi en Hami (China, alle 2019), Cerro Dominador (Chili, april 2021).

Een innovatieve oplossing voor zonne-energie

Omdat deze technologie het beste werkt in gebieden met veel zonnestraling (zonnestraling), voorspellen experts dat de grootste groei van het aantal torenzonne-energiecentrales zal plaatsvinden in plaatsen als Afrika, Mexico en het zuidwesten van de Verenigde Staten.

Er wordt ook aangenomen dat geconcentreerde zonne-energie serieuze vooruitzichten heeft en dat het tegen 2050 tot 25% van de energiebehoefte van de wereld kan voorzien. Momenteel worden er wereldwijd meer dan 50 nieuwe projecten van dit type energiecentrales ontwikkeld.