Тепловые солнечные электростанции башенного типа – это инновационные устройства, которые используют системы концентрации солнечной энергии для преобразования ее в электричество.
Они состоят из большого количества зеркал, которые отражают солнечный свет на центральный приемник, расположенный на вершине башни. В приемнике нагревается жидкость, которая затем передает тепло в турбину. Таким образом, солнечная энергия превращается в механическую, а затем в электрическую.
Тепловые солнечные электростанции башенного типа имеют ряд преимуществ перед другими видами возобновляемой энергии.
Они могут работать круглосуточно, используя теплоаккумуляторы для хранения избыточной энергии. Они также могут достигать высокой эффективности, поскольку концентрация солнечного света повышает температуру жидкости. Кроме того, они не загрязняют окружающую среду и не требуют большого количества земли для размещения.
Солнце — источник исключительно «чистой» энергии. Сегодня во всем мире работы по использованию Солнца развиваются по многим направлениям. Прежде всего разрабатывается так называемая малая энергетика, включающая в основном отопление зданий и горячее водоснабжение. Но уже сделаны серьезные шаги и в области крупномасштабной энергетики — создаются солнечные электростанции на основе фотопреобразования и термопреобразования. В этой статье мы расcкажем о перспективах станций второго направления.
Технология концентрация солнечной тепловой энергии, также известная в мире как CSP (на английском языке: Concentrated Solar Power) - это тип солнечной электростанции, использующий зеркала или линзы для концентрации большого количества солнечного света на небольшой площади.
CSP не следует путать с концентрированной фотоэлектрической энергией - также известной как CPV (с английского - Concentrated Photovoltaics). В CSP концентрированный солнечный свет преобразуется в тепло, а затем тепло преобразуется в электричество. С другой стороны, в CPV концентрированный солнечный свет преобразуется непосредственно в электричество посредством фотоэлектрического эффекта.
Использование солнечных концентраторов в промышленных целях
Солнченая энергия
Солнце посылает в направлении Земли мощнейший поток лучистой энергии. Даже если учесть, что 2/3 ее отражается и рассеивается атмосферой, все равно земная поверхность получает за 12 месяцев 1018 кВт•ч энергии, что в 20000 раз больше, чем ее потребляют в мире за год.
И естественно, что использование этого неисчерпаемого источника энергии в практических целях всегда выглядело очень заманчиво. Однако время шло, человек в поисках энергии создал тепловую машину, перекрыл реки, расщепил атом, а Солнце продолжало ждать своего часа.
Почему же так сложно овладеть его энергией? Во-первых, интенсивность солнечного излучения меняется в течение суток, что крайне неудобно для потребления. Значит, солнечная станция должна иметь аккумулирующую установку или работать совместно с другими источниками. Но это еще не самый большой недостаток. Куда хуже, что плотность солнечного излучения на поверхности Земли очень низка.
Так в южных районах России она составляет всего 900 — 1000 Вт/м2. Этого достаточно лишь для нагрева воды в простейших коллекторах до температур не более 80 — 90 °С.
Она пригодна для горячего водоснабжения и отчасти для теплоснабжения, но отнюдь не для получения электроэнергии. Здесь нужны куда более высокие температуры. Чтобы повысить плотность потока, надо собрать его с большой площади и превратить из рассеянного в концентрированный.
Производство электроэнергии с помощью систем концентрирации солнечной энергии
Способы концентрации солнечной энергии были известны еще в глубокой древности. Сохранилась легенда о том, как великий Архимед с помощью вогнутых полированных медных зеркал жег римский флот, осаждавший в III веке до н. э. Сиракузы. И хотя эта легенда не подтверждена историческими документами, сама возможность нагрева в фокусе параболического зеркала любого вещества до температур 3500 — 4000 °С — факт бесспорный.
Попытки использовать параболические зеркала для получения полезной энергии начались во второй половине XIX века. Особенно интенсивные работы велись в США, Англии и Франции.
Экспериментальное параболическое зеркало для использования солнечной тепловой энергии в Лос-Анджелесе, США (около 1901 г.).
В 1866 году Огюстен Мушо использовал параболический цилиндр для производства пара в первой солнечной паровой машине.
Огромное впечатление на современников произвела солнечная силовая установка А. Мушо, демонстрировавшаяся на Всемирной промышленной выставке в Париже в 1882 году.
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 устройства, работающие за счет концентрации солнечной энергии для орошения, охлаждения и передвижения.
Солнечный двигатель, 1882 г.
Солнечная установка Фрэнка Шумана в Каире
В 1912 году близ Каира была построена первая солнечная силовая установка мощностью 45 кВт с параболо-цилиндрическими концентраторами общей площадью 1200 м2, которая использовалась в системе орошения. В фокусе каждого зеркала размещались трубы. На их поверхности и концентрировались солнечные лучи. Вода в трубах превращалась в пар, который собирался в общем коллекторе и подводился к паровой машине.
Вообще надо отметить, что это был период, когда вера в фантастическую мощь фокусирующих зеркал завладела многими умами. Своеобразным свидетельством этих надежд стал роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина».
И действительно, в ряде производств такие зеркала получили широкое распространение. На этом принципе во многих странах построили печи для выплавки особо чистых тугоплавких материалов. Скажем, во Франции действует крупнейшая в мире печь мощностью 1 МВт.
А что же с установками для получения электрической энергии? Здесь ученые столкнулись с рядом трудностей. Прежде всего стоимость фокусирующих систем со сложными зеркальными поверхностями оказалась очень высокой. Причем с увеличением размеров зеркал затраты растут в геометрической прогрессии.
Кроме того, создать зеркало площадью 500 — 600 м2 технически непросто, да и мощность с него можно получить не более 50 кВт. Понятно, что в этих условиях единичная мощность солнечного приемника существенно ограничена.
И еще одно важное соображение о системах с криволинейными зеркалами. В принципе из отдельных модулей можно собрать достаточно крупные системы.
Про действующие установки такого типа смотрите здесь: Примеры использования солнечных концентраторов
Параболический желоб, используемый на электростанции концентрированной солнечной энергии в Локхарте возле озера Харпер в Калифорнии (проект Mojave Solar)
Подобные электростанции были созданы во многих странах. Однако в их работе есть серьезный недостаток — сложность сбора энергии. Ведь в фокусе каждого зеркала установлен свой парогенератор, причем все они рассредоточены на большой площади. Значит, пар надо собирать от множества солнечных приемников, что очень усложняет и удорожает станцию.
Башня солнечной энергии
Еще в предвоенные годы инженером Н. В. Линицким была выдвинута идея тепловой солнечной электростанции с центральным солнечным приемником, размещенным на высокой башне (СЭС башенного типа).
В конце 1940-х годов, ученые Государственного научно-исследовательского энергетического института (ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского Р. Р. Апариси, В. А. Баум и Б. А. Гарф разработали научную концепцию создания такой станции. Они предложили отказаться от сложных дорогих криволинейных зеркал, заменив их простейшими плоскими гелиостатами.
Принцип работы солнечных электростанций башенного типа достаточно прост. Солнечные лучи, отражаясь от множества гелиостатов, направляются на поверхность центрального приемника — солнечного парогенератора, помещенного на башне.
В соответствии с положением Солнца на небосводе автоматически меняется и ориентация гелиостатов. В результате, в течение всего светового дня концентрированный поток отраженных от сотен зеркал солнечных лучей обогревает парогенератор.
Отличие конструкций СЭС, использующих параболические концентраторы, СЭС с концентраторами тарельчатого типа и СЭС башенного типа
Такое решение оказалось столь же простым, сколь и оригинальным. Но самое главное заключалось в том, что появилась принципиальная возможность создать крупные солнечные электростанции единичной мощностью в сотни тысяч кВт.
С тех пор концепция тепловой солнечной электростанции башенного типа получила мировое признание. Только в конце 1970-х годов годы такие станции мощностью от 0,25 до 10 МВт построены в США, Франции, Испании, Италии и Японии.
Солнечная башня СЭС Фемида в Восточных Пиренеях во Франции
По этому советскому проекту в 1985-м году в Крыму около города Щёлкино была построена экспериментальная солнечная электростанция башенного типа мощностью 5 мВт (СЭС-5).
На СЭС-5 был применен открытый круговой солнечный парогенератор, поверхности которого, что называется, открыты всем ветрам. Поэтому при пониженных температурах окружающего воздуха и больших скоростях ветра резко растут конвективные потери и существенно падает КПД.
Сейчас считается, что гораздо более эффективны приемники полостного типа. Здесь все поверхности парогенератора закрыты, за счет чего резко снижены конвективные и радиационные потери.
Из-за низких параметров пара (250 °С и 4МПа) термический КПД СЭС-5 составлял всего 0,32.
Через 10 лет эксплуатации в 1995 году СЭС-5 в Крыму закрыли, а в 2005-м башню сдали на металолом.
Макет СЭС-5 в Политехническом музее
В солнечных электростанциях башенного типа, которые сейчас находятся в эксплуатации, используются новые конструкции и системы, использующие расплавленные соли (40% нитрата калия, 60% нитрата натрия) в качестве рабочих жидкостей. Эти рабочие жидкости обладают более высокой теплоемкостью, чем морская вода, которую использовали в первых эскпериментальных установках.
Технологическая схема современной солнечной тепловой электростанции
Современная башенная СЭС
Конечно, солнечные электростанции — дело новое и сложное, и, естественно, что у них достаточно противников. Многие сомнения, высказываемые ими, имеют довольно веские основания, с другими же вряд ли можно согласиться.
Например, часто говорится о том, что для сооружения башенных СЭС необходимы большие земельные площади. Однако нельзя сбрасывать со счетов площади, где добывается топливо, для работы традиционных электростанций.
Можно привести и другой более убедительный пример в пользу башенных СЭС. Удельная площадь земель, затопленных искусственными водохранилищами ГЭС, равна 169 га/МВт, что во много раз больше показателей таких СЭС. Причем, при сооружении ГЭС нередко затапливаются весьма ценные плодородные угодья, а башенные СЭС предполагается строить в пустынных районах — на землях, не пригодных ни для земледелия, ни для сооружения промышленных объектов.
Еще один повод для критики башенных СЭС — их высокая материалоемкость. Высказывается даже сомнение, сможет ли СЭС возвратить за расчетный срок эксплуатации ту энергию, которая была затрачена на изготовление оборудования и получение материалов, израсходованных на ее строительство.
Действительно, такие установки материалоемки, но, существенно то, что практически все материалы, из которых строятся современные башенные солнечные электростанции, не являются дефицитными. Экономические же расчеты, проведенные после запуска в работу первых современных башенных СЭС показали их высокую эффективность и достаточно выгодные сроки окупаемости (смотрите ниже примеры экономически успешных проектов).
Еще один резерв повышения эффективности башенных СЭС — создание гибридных станций, в которых солнечные установки будет работать совместно с обычными тепловыми на традиционном топливе. На комбинированной станции в часы интенсивного солнечного излучения топливная установка снижает свою мощность, а «разгоняется» в пасмурную погоду и в период пиковых нагрузок.
Примеры современных башенных солнечных электростанций
В июне 2008 г. компания Bright Source Energy открыла центр развития солнечной энергии в израильской пустыне Негев.
На площадке, расположенной в промышленном парке Ротема, установлено более 1600 гелиостатов, которые следуют за солнцем и отражают свет на солнечной башне высотой 60 метров. Затем сконцентрированная энергия используется для нагрева котла наверху башни до 550 °C, генерируя пар, который направляется в турбину, где вырабатывается электричество. Мощность электростанции 5 МВт.
В 2019-м году та же компания в пустыне Негев построила новую электростанцию - Ashalim. Она состоит из трех участков с тремя различными технологиями, станция объединяет три вида энергии: солнечную тепловую энергию, фотоэлектрическую энергию и природный газ (гибридная электростанция). Установленная мощность энергетической солнечной башни - 121 МВт.
В состав станции входят 50600 гелиостатов с компьютерным управлением, которых достаточно для питания 120000 домов. Высота башни 260 метров. Она была самой высокой в мире, но недавно ее превзошла солнечная энергетическая башня высотой 262,44 метра в солнечном парке Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума.
Электростанция в пустыне Негев в Израиле
Летом 2009 года американская компания eSolar построила солнечную башню Sierra Sun Tower для электростанции мощностью 5 МВт, расположенной в Ланкастере, штат Калифорния, около 80 км к северу от Лос-Анджелеса. Площадь электростанции - около 8 гектаров в засушливой долине к западу от пустыни Мохаве на 35° северной широты.
Sierra Sun Tower
По состоянию на 9 сентября 2009 года на примере действующих электростанций было посчитано, что стоимость строительства башенной СЭС (CSP) составляла от 2,5 до 4 долларов США за ватт, в то время как топливо (солнечное излучение) было бесплатным. Таким образом, строительство такой электростанции мощностью 250 МВт стоит от 600 до 1000 миллионов долларов США. Это означает от 0,12 до 0,18 доллара США/кВт•ч.
Было также определено, что новые установки CSP могут быть экономически конкурентоспособными по сравнению с ископаемым топливом.
Натаниэль Буллард, аналитик Bloomberg New Energy Finance, подсчитал, что стоимость электроэнергии, производимой солнечной электростанцией Иванпа, запущенная в работу в 2014-м году, меньше, чем электроэнергия, получаемая от фотоэлектрической электростанции, и примерно такая же, как электроэнергия, получаемая от электростанции, работающей на природном газе.
Самая известная на данный момент из башенных СЭС — электростанция Gemasolar мощностью 19,9 МВт, расположенная к западу от города Эсиха в Андалусии (Испания). Электростанция была открыта королем Испании Хуаном Карлосом 4 октября 2011 года.
Электростанция Gemasolar
Этот проект проект, получивший от Европейской комиссии грант в размере 5 миллионов евро, использует технологию, протестированную компанией американской компанией Solar Two:
-
2493 гелиостата общей площадью 298000 м2 используют стекло с лучшей отражательной способностью, упрощенная конструкция которого позволила снизить производственные затраты на 45%.
-
Более крупная система хранения тепловой энергии вместимостью 8500 тонн расплавленных солей (нитратов), обеспечивающая автономность 15 часов (примерно 250 МВт•ч) при отсутствии солнечного света.
-
Улучшенная конструкция насоса, которая позволяет перекачивать соли непосредственно из резервуаров для хранения без необходимости в отстойнике.
-
Система генерации пара, включающая контур принудительной рециркуляции пара.
-
Паровая турбина с более высоким давлением и более высокой эффективностью.
-
Упрощенный контур циркуляции расплавленной соли, уменьшающий вдвое необходимое количество клапанов.
Электростанция (башня и гелиостаты) занимает общую площадь 190 га.
Солнечная башня СЭС Gemasolar
Компания Abengoa построила Khi Solar One в Южной Африке - башенную электростанцию высотой 205 метров и мощностью 50 МВт. Торжественная церемония открытия прошла 27 августа 2013 года.
Khi Solar One
Ivanpah Solar Electric Generating System — солнечная электростанция в пустыне Мохаве в Калифорнии, в 64 километров к юго-западу от Лас-Вегаса, мощностью 392 мегаватт (МВт). Электростанция была запущена в работу 13 февраля 2014 года.
Ivanpah Solar Electric Generating System
Годовое производство этой СЭС покрывает потребление 140000 домашних хозяйств. Установлено 173500 зеркал гелиостатов, фокусирующих солнечную энергию на парогенераторах, расположенных на трех центральных солнечных башнях.
В Марте 2013 года, было подписано соглашение с компанией Bright Source Energy о строительстве электростанции Palen в Калифорнии, состоящей из двух башен по 230 м (250 МВт каждая), ввод в эксплуатацию намечен на 2021 год.
Другие действующие солнечные электростанции башенного типа: Солнечный парк (Дубаи, 2013), Нур III (Марокко, 2014 г.), Crescent Dunes (Невада, США, 2016 г.), SUPCON Delingha и Shouhang Dunhuang (Катай, обе - 2018 г.), Gonghe, Luneng Haixi и Hami (Китай, все - 2019 г.), Cerro Dominador (Чили, апрель 2021 г.).
Иновационное решение для солнечной энергетики
Поскольку эта технология лучше всего работает в районах с высокой инсоляцией (солнечной радиацией), эксперты прогнозируют, что наибольший рост количества башенных СЭС будет в таких местах, как Африка, Мексика и юго-запад США.
Также ситается, что у концентрированной солнечной энергии есть серьезные перспективы, и что она может обеспечить до 25% мировых потребностей в энергии к 2050 году. В настоящее время в мире в разработке находится более 50 новых проектов электростанций такого типа.