15 лет назад, в 2007 году, Санлукар-ла-Майор недалеко от Андалусии в Испании была введена в эксплуатацию первая коммерческая солнечная тепловая электростанция башенного типа, работающая за счет концентрированной солнечной энергии – PS10 (Planta Solar 10).
Хотя демонстрационные электростанции с солнечными концентраторами уже были построены задолго до этой даты, запуск PS10 положил начало масштабному развитию этого сектора солнечной энергетики.
Солнечная тепловая электростанция башенного типа имеет несколько десятков или сотен вращающихся плоских зеркал, перенаправляющих солнечные лучи на приемник, расположенный на высокой башне.
В случае PS10 количество зеркал или гелиостатов равно 624, каждое с площадью апертуры 120 м. На вершине башни высотой почти 115 метров солнечные лучи, сконцентрированные на небольшой площади, нагревают воду в ресивере до парообразного состояния. Далее по традиционной схеме пар подается в паровую турбину.
Общая мощность станции PS10 составляет 11 МВт. Позднее рядом с PS10 была построена более мощная станция PS20 (20 МВт) аналогичной конструкции, а также три станции параболического типа, получившие название Solnova, по 50 МВт каждая.
Существует несколько различных вариантов концентрации солнечной энергии. Основные из них — солнечная энергетическая башня и параболический желоб.
В первом случае используются плоские гелиостаты и центральный приемник на высокой башне, как и в случае с PS20 и PS10.
Во втором случае изогнутые зеркала параболоидной формы концентрируют солнечные лучи на трубчатых приемниках, расположенных в фокусе параболоида. При этом ресивер состоит из внешней предельно прозрачной стеклянной вакуумной трубки, внутри которой помещена металлическая трубка. По ней циркулирует специальная рабочая жидкость, чаще всего масло или различные соли.
Рабочее тело, нагретое солнечными лучами примерно до 400 oC, по сети трубопроводов подается в парогенератор, а затем перегретый пар направляется на турбину.
Схемы солнечной энергетической башни и параболического желоба
Оба упомянутых варианта электростанций с солнечными концентраторами имеют свои преимущества и недостатки. Для солнечной электростанции наиболее уязвимым местом является центральный приемник, потому что, если он останавливается для ремонта или обслуживания, вся станция должна быть отключена.
Сильный ветер или неожиданные порывы ветра могут стать серьезной проблемой для точной фокусировки довольно больших плоских гелиостатов. Кроме того, двухосные трекеры в гелиостатах для слежения за солнцем относительно дороги и не всегда надежны.
Параболический желоб представляет собой модульную конструкцию, состоящую из отдельных блоков параболических зеркал, что дает значительные преимущества, например, при ремонте.
Однако параболические зеркала, изогнутые по строго фиксированному направлению, предъявляют высокие требования к их производителям и значительно дороже плоских. Длинные трубопроводы требуют хорошей теплоизоляции и качественных соединений.
Сегодня более 75% всех концентрирующих солнечных электростанций в мире являются параболическими.
Прежде чем мы вернемся к солнечной электростанции PS10, давайте поближе познакомимся с Андалусией, поскольку именно здесь находится самое большое количество концентрирующих солнечных электростанций в мире.
Андалусия, расположенная на юге Испании, является одним из самых привлекательных туристических регионов мира. Ее уникальное географическое положение, особый климат с большим количеством солнечных дней, разнообразный ландшафт, самобытная архитектура, богатая история края и сохранившиеся народные традиции создают особый колорит.
Основными отраслями здесь являются сельское хозяйство, животноводство, лесное хозяйство и рыболовство. За последние два десятилетия сфера услуг значительно выросла.
Промышленный сектор представлен в основном добычей и переработкой сельскохозяйственной продукции. Запасы ископаемого топлива, включая нефть, газ и уголь, в Андалусии незначительны. Поэтому регион сильно зависит от импорта энергоресурсов.
С другой стороны, юг Испании характеризуется отличными возобновляемыми ресурсами, прежде всего солнечной энергией. В районе Санлукар-ла-Майор годовой уровень прямого нормального облучения составляет почти 2100 кВтч/м2, а количество солнечных дней в году достигает 320. Для сравнения, в районе Рима прямое нормальное облучение составляет чуть более 1700 кВтч/м2, в северной Германии около 900 кВтч/м2.
Это предопределило интенсивное развитие солнечной энергетики в Андалусии.
Сегодня для производства электроэнергии используются две принципиально разные технологии – PV (фотоэлектрические элементы) и CSP (concentrated solar power, концентрированная солнечная энергия).
В первом случае электрический ток генерируется свободными электронами при попадании фотонов света на поверхность специальных материалов, чаще всего кремния. Во втором случае, как описано выше, солнечный свет с помощью зеркал концентрируется на ресивере с водой, где генерируется пар и направляется на турбину.
Благодаря значительному снижению инвестиционных затрат фотоэлектрическим электростанциям удалось в последние годы обогнать технологию концентрационных электростанций.
Сегодня очевидно, что масштабы распространения электростанций с фотоэлектрическими преобразователями во много раз превышают масштабы использования концентрированной солнечной энергии. Соответственно, фотоэлектрические установки производят электроэнергию по более низким ценам. В первую очередь это является причиной того, что в последние годы в Испании не строятся новые установки CSP.
Казалось бы, в ближайшем будущем фотоэлектрические установки, наконец, заменят CSP. Однако не все так однозначно. В обоих случаях электроэнергия не может быть выработана ночью при отсутствии света. В то же время многие эксперты сейчас склоняются к выводу, что дальнейшее интенсивное развитие возобновляемой энергетики без обеспечения бесперебойного производства электроэнергии будет затруднено.
Однако в случае CSP возможно использование части солнечной энергии в рабочее время для нагрева специальных жидкостей и хранения их в нагретом состоянии в теплоизолированных емкостях. Ночью накопленную тепловую энергию можно использовать для выработки пара и обеспечения непрерывной работы солнечной станции.
Сегодня эти системы имеют емкость хранения до 17,5 часов. В будущем это может обеспечить круглосуточную работу CSP.
У фотоэлектрических электростанций такой возможности нет. Поэтому широкое использование CSP с аккумулированием тепловой энергии может быть одним из наиболее перспективных вариантов решения этой проблемы.
До сих пор хранение большого количества энергии было возможно только с помощью гидроаккумулирования, но это дорого и не всегда осуществимо, особенно на плоских участках.
При самых оптимистичных сценариях развития CSPв мире выработка электроэнергии по этой технологии может достичь 10% от общемирового уровня или более 4000 ТВтч, что несколько меньше прогнозируемых показателей для фотоэлектрической.
Наиболее широко данная технология может быть использована в таких густонаселенных странах, как Индия, Китай, а также в США, на Ближнем Востоке и в Северной Африке.
Интересно, что именно на PС10 использовалась небольшая емкость, по сути испытательный блок хранения перегретой воды под давлением, что позволяло проводить на станции различные технологические процессы в течение десятка минут без остановки выработки электроэнергии.
Последующие усовершенствования конструкции привело к настоящему прорыву в этом направлении, позволившему резко увеличить коэффициент использования мощности CSP.
Схема солнечной электростанции с накопителем энергии: 1. Гелиостатическое поле, 2. Центральный ресивер, 3. Соляной бак (горячий 565оС), 4. Конденсатор, 5. Соленый бак (холодный 290оС), 6. Парогенератор, 7. Турбина, 8. Генератор, 9. Трансформатор 10. Линии электропередачи, 11. Градирня.
Например, запущенная десять лет назад концентрированная солнечная электростанция Gemasolar, расположенная к востоку от Севильи в Фуэнтес-де-Андалусия, использовала передовую систему накопления энергии на основе рассола с максимальной температурой нагрева 565 oC. Это дало Gemasolar коэффициент полезного действия 45,9%.
PS10 имеет коэффициент полезного действия 24%. Для фотоэлектрических станций она варьируется от 10 до 21%.
Еще одним вариантом повышения эффективности солнечных электростанций является разработка гибридных электростанций, включающих как CSP, так и PV, а также технологию CPV (солнечные фотоэлектрические панели с концентраторами). В Санлукар-ла-Майор рядом с PS10 находится испытательный полигон с комплектом установок CPV различных конструкций.
Установки CPV PS10 были запущены 15 лет назад и оказали большое влияние на развитие отрасли солнечной энергетики. Всего в мире запущено более 130 проектов концентрированной солнечной энергетики. Среди них такие уникальные, как:
- Ivanpah Solar Electric Generating System CSP, 377 МВт (США);
- Atacama I / Cerro Dominador 110 МВт CSP + 100 МВт PV CSP Project + Емкость хранилища 17,5 часов (Чили);
- Noor Energy 1 / DEWA IV 700 МВт CSP + 250 МВт PV CSP Project (Объединенные Арабские Эмираты);
- Shouhang Dunhuang Phase I-II - 10+100 МВт Tower CSP Project + емкость хранения 11 часов (Китай);
- Проект NOOR CSP I-III - 160+200+150 МВт + емкость хранения 3-7 часов (Марокко).
Смотрите также: Тепловые солнечные электростанции башенного типа, системы концентрации солнечной энергии