Menu

Elektrownie słoneczne

    Wstęp

    Elektrownia słoneczna to najprościej mówiąc zespół urządzeń przekształcających energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną i ewentualnie cieplną. Istnieją dwa odmienne systemy:

- elektrownie fotowoltaiczne

- elektrownie heliotermiczne

W elektrowniach fotowoltaicznych (farmach fotowoltaicznych) energia promieniowania słonecznego zostaje zamieniona w wyniku efektu fotoelektrycznego od razu na prąd stały, a następnie za pomocą inwerterów przetransformowana na prąd zmienny i przesłana do sieci elektroenergetycznej. Elektrownia taka zbudowana jest z dużej ilości paneli fotowoltaicznych posadowionych na konstrukcjach wsporczych, na gruncie. Największa obecnie elektrownia fotowoltaiczna na świecie zbudowana jest w Kaliforni w Stanach Zjednoczonych i posiada moc około 500 MW. Farma słoneczna nosi nazwę Topaz i posiada 9mln paneli fotowoltaicznych zajmujących powierzchnię 15,2km2. Koszt budowy wyniósł 2,5mld $.

Fot. Topaz solar farm w Kaliforni.

 

W elektrowni heliotermicznej energia słońca koncentrowana jest za pomocą systemu zwierciadeł płaskich lub parabolicznych na elementach wymiennika ciepła, gdzie zachodzi podgrzewanie czynnika (np. soli lub oleju) do bardzo wysokich temperatur. Energia ta wykorzystywana jest następnie do wytworzenia pary wysokoprężnej do napędu turbiny. W systemach heliotermicznych stosowane są co najmniej cztery technologie:

- koncentratory wieżowe

- koncentratory paraboliczne

- koncentratory liniowe z systemem nadążnym

- koncentratory czaszowe Stirlinga

enersl35.jpg

Rys. Cztery technologie wykorzystywane w systemach CSP. U góry koncentratory  paraboliczne i wieżowe, u dołu - koncentratory czaszowe i liniowe

Z innych spektakularnych rozwiązań można wymienić

- piece słoneczne

- wieże słoneczne wiatrowe

Poniżej omówione zostaną elektrownie CSP.

 

Historia

 

   Historia skoncentrowanej energii słonecznej (CSP - Concentrated Solar Power) sięga starożytnej Grecji i Chin gdzie po raz pierwszy wykorzystywano lustra do skupiania energii słonecznej i rozpalania ognia. Pierwsza instalacja wykorzystująca energię słońca do napędu maszyn została najprawdopodobniej wykonana w Meadi w Egipcie przez Amerykanina Franka Shumana, gdzie system parabolicznych luster produkował energię niezbędną do pompowania wody.

   Pod koniec lat 70. XX wieku, po kryzysach naftowych w latach 1973 i 1979/80, rozpoczęto pierwsze projekty badawcze mające na celu zastąpienie paliw kopalnych do produkcji energii elektrycznej energią słoneczną. Skupiły się one na badaniach i rozwoju technologii w celu wykazania wykonalności technicznej. W Europie działalność Międzynarodowej Agencji Energetycznej IEA doprowadziła do opracowania rynny parabolicznej i obiektu demonstracyjnego wieży solarnej w Almerii w Hiszpanii, planowanych i budowanych przez kilka krajów: Niemcy, Hiszpanię, Włochy, Belgię, Grecję, Szwecję, Szwajcarię i Stany Zjednoczone. Projekt otrzymał nazwę Small Solar Power System (SSPS), a później został zintegrowany z nowymi instalacjami w Plataforma Solar de Almerı´a (PSA), obecnie największym w Europie ośrodku testowym CSP. Grupa robocza IEA została później nazwana SolarPACES.

   W tym samym czasie rozpoczęto kilka projektów komercyjnych, takich jak CESA-1 w Hiszpanii i THEMIS we Francji. Polegały one głównie na odparowaniu wody i przegrzewaniu pary do napędu turbin parowych o mocy 1–2 MW. Ponieważ wkrótce po uruchomieniu tych elektrowni cena ropy ponownie spadła, a oczekiwania dotyczące konkurencyjnych zastosowań komercyjnych CSP nie spełniły się, były one eksploatowane komercyjnie zaledwie przez kilka lat.

  enersl36.jpg W 1981 roku Stany Zjednoczone uruchomiły na pustyni Mojave w pobliżu Barstow w Kalifornii pierwszą elektrownię wieżową z technologią turbiny parowej, o nazwie Solar One i mocy 10 MW.

 

Fot. Elektrownia Solar One w Kaliforni.

 

Elektrownia składała się z 1818 luster o całkowitej powierzchni 72,650 m².  Nieco później pierwsze większe wdrożenie CSP stało się rzeczywistością. W 1984 roku na pustyni Mojave w Kalifornii zbudowano elektrownię SEGS-1 (Solar Electric Generation Station). Polega ona na zastosowaniu technologii koncentratora parabolicznego, podgrzewającej olej termalny, a następnie wodę do postaci pary przegrzanej napędzającej   turbinę. W kolejnych latach powstało kilka nowych elektrowni o mocy zainstalowanej 354 MW (tj. SEGS-II do SEGS-IX). Przez wiele lat, nawet po upadłości rozwijającej się firmy LUZ Power Generation w 1991 r. elektrownie te były jedynymi komercyjnymi instalacjami CSP. Ich moc nominalna była sukcesywnie zwiększana z 14 MW w SEGS-1 do 80 MW w SEGS-IX.

enersl37.jpg

Fot. Elektrownia SEGS w Kaliforni.

   

Z pomocą Global Environmental Facility Banku Światowego zbudowano trzy komercyjne elektrownie ze zintegrowanym słonecznym cyklem mieszanym (ISCCS) w Egipcie (Kuraymat), Maroku (Ain Benimatar) i Algierii (Hassi R’Mel). W 2004 r. Hiszpania wprowadziła taryfę gwarantowaną dla CSP, rozpoczynając tym samym budowę około 1,3 GW mocy, zbudowanej w latach 2007–14. 

     

 

 Koncentratory wieżowe (solar tower)

 

To najbardziej widowiskowe elektrownie słoneczne. Zbudowane są z centralnie wykonanej wieży, na której szczycie znajduje się wymiennik ciepła z czynnikiem roboczym odbierającym ciepło. Jako czynniki wykorzystuje się najczęściej sól sodową lub potasową, rzadziej olej lub wodę. Energia słoneczna gromadzona jest przez system zwierciadeł ustawionych wokół wieży wyposażonych zwykle w system nadążny. Odbite od zwierciadeł promieniowanie ogniskowane jest na wymienniku powodując wzrost temperatury czynnika do nawet >500C. Wieże wykorzystujące sól pracują zwykle w przedziale  temperatur 250-565C, co wynika z właściwości czynnika.

 enersl7.jpg

Fot. Wieża słoneczna Crescent Dunes w Newadzie o mocy projektowanej 500 MW.

Schemat działania całej instalacji pokazany jest na rys.1 Dla zapewnienia ciągłości działania systemu przez całą dobę stosuje się magazynowanie energii w postaci zasobnika z solą.

enersl8.jpg

Rys.1 Schemat działania elektrowni wieżowej.

 Podgrzana do temperatury 565C sól ulega roztopieniu i przekazywana jest rurami obiegowymi do zasobnika stopionej soli, a stąd do przegrzewacza pary (superheater). Po oddaniu ciepła, przepływa jeszcze do wyparki i wstępnego podgrzewacza wody obiegowej oddając kolejne porcje ciepła. Schłodzona do temperatury 288C spływa do zasobnika i kierowana jest ponownie do wymiennika ciepła w wieży. Drugi obieg systemu stanowi zdemineralizowana woda, która ogrzana wstępnie w wymienniku ciepła  przechodzi do wyparki gdzie zamienia sie w parę nasyconą. Kolejny stopień przegrzania uzyskuje w przegrzewaczu pary uzyskując parametry pary wysokiego ciśnienia i jako taka kierowana jest na turbinę. W systemie stosowane są co najmniej dwie turbiny, wysokiego ciśnienia i niskiego ciśnienia. Turbina niskiego ciśnienia napędzana jest para która po opuszczeniu turbiny HP poddawana jest dogrzewaniu w celu uniknięcia kondensacji. Po opuszczeniu turbiny niskiego ciśnienia para chłodzona jest w chłodni wentylatorowej aż do uzyskania kondensatu i jako ciecz wraca do obiegu.   

3. Koncentratory paraboliczne (parabolic through collector)

Wykonywane są w postaci podłużnych parabolicznych luster (koryt parabolicznych) które skupiają światło i ogniskują je na umieszczonej powyżej rurze wymiennika ciepła. Przez rurę przepływa czynnik (zwykle olej), który ogrzewa się do wysokiej temperatury gromadząc energię, a następnie oddaje ją w wymienniku krążącej w układzie turbiny wodzie, zamieniając ja w parę przegrzaną. Para przegrzana w cyklu Rankine'a napędza turbinę i generator prądu.

Fot. Koncentrator paraboliczny liniowy SKAL-ET150

Koncentratory paraboliczne posiadają najczęściej system nadążny pozwalający śledzić kąt padania promieni słonecznych. Nie mogą jednak obracać się względem azymutu.

Zaletą rozwiązania jest obecnie dość dobrze opracowana technologia wykonania, dająca pewność inwestycji. wada dość niska temperatura czynnika (koncentratory są w stanie wytworzyć temperatury w ognisku <400C) co powoduje stosunkowo niską sprawność turbiny. System może zawierać magazyn energii pozwalający na jego pracę także w warunkach nocnych. enersl10.jpg

Rys. Schemat pracy instalacji koncentratorów parabolicznych.

4. Koncentratory liniowe Fresnela.

To odmiana powyższego rozwiązania w którym paraboliczne lustra zastąpiono płaskimi lub lekko zakrzywionymi bez systemu nadążnego, ale ustawionymi pod różnymi kątami. Skoncentrowana energia słoneczna kierowana jest następnie do wymiennika ciepła w postaci rury umieszczonego nad lustrami podgrzewając zawarty w nim olej lub sól.

Fot. Koncentrator liniowy Fresnela

Zrezygnowanie w tym wypadku z układu nadążnego i parabolicznych luster wpłynęło na znaczne obniżenie kosztów całej elektrowni. Lustra paraboliczne są bardziej podatne na uszkodzenia z powodu silnych wiatrów, trudniejsze i droższe w wykonaniu. System nadążny jest z kolei podatny na awarie. 

5. Koncentratory czaszowe z silnikiem stirlinga (Stirling dish engine system)

W odróżnieniu od powyższych rozwiązań nie ma tutaj konieczności używania jako pośredniego sposobu przekazywania energii cieczy krążącej w układzie. Urządzeniem generującym energię elektryczną jest silnik Stirlinga który nie wymaga do pracy spalania paliwa, a wykorzystuje ciepło z energii słonecznej. 

Fot. Budowa elektrowni z silnikiem Stirlinga

 

Jako paliwo do napędu tłoka stosowany jest zwykle gaz (wodór lub hel) który pod wpływem ciepła ulega sprężeniu wykonując pracę. Silnik Stirlinga ma wysoką sprawność ponad 40%. Jego wadą jest generowanie dość dużego hałasu, co powoduje że elektrownie powinny być lokalizowane w odosobnionych miejsca, z dala od siedzib ludzkich. Projekty elektrowni z silnikami stirlinga są już w zaawansowanej fazie. Największe powstają w południowej  Kalifornii (projekty o mocy 500MW i 300MW z możliwością rozbudowy odpowiednio do 850MW i 900MW, czyli w sumie 1750MW). Projekt pierwszy zakłada wykonanie od 20.000-34.000 instalacji.

6. Wieże słoneczne

Rozwiązanie które poza zbliżoną nazwą nie ma nic wspólnego z koncentratorem wieżowym. W wieżach słonecznych wykorzystuje się bowiem efekt kominowy do napędu turbin. Zasadę działania można krótko wyjaśnić na podstawie rys.2. Wieża jest tak naprawdę betonową konstrukcja kominową, pustą w środku, u której podstawy wykonany jest szereg turbin wiatrowych. Cały teren wokół wieży przykryty jest szklaną konstrukcją przypominająca wielką szklarnię, na końcu której znajdują się swobodne wloty powietrza. W wyniku ogrzania przez słońce tworzy się różnica gęstości pomiędzy powietrzem w kominie i przeszklonym "parasolem", a powietrzem zewnętrznym, co wywołuje powstanie bardzo dużego podciśnienia w kominie. Przypomina to trochę rozpalony kocioł. Gorące powietrze wpływa do komina z bardzo dużą prędkością dochodząca do 15m/s napędzając turbiny.

enersl17.jpg

Fot. Wieża słoneczna w Manzanares 150km na południe od Madrytu o mocy 50kW.

Rys. Projekt wieży solarnej w Arizonie o wysokości blisko 800 m, z 32 generatorami energii wiatrowej. Moc projektowa to 200  MW. Trwałość przewidziana na 80 lat, a całkowity koszt to 750 mln $.

 

Rys. Schemat działania wieży solarnej z efektem szklarniowym.

 

Jeszcze inne rozwiązanie wieży solarnej ma powstać na granicy amerykańsko-meksykańskiej w okolicach 

Arizony. Wieża zbudowana na powietrzni 600 akrów ma mieć u wylotu aż 1200 stóp (360m). na jej szczycie ma zostać wykonany system zraszaczy który będzie okresowo doprowadzał do wytworzenia zimnej mgły wodnej. Energia do odparowania wody będzie pochodzić z nagrzewania się wieży przez słońce. Mgła wodna jako cięższa będzie opadać wewnątrz wieży z prędkością dochodzącą do 50 mil/h napędzając znajdujące sie u dołu turbiny wiatrowe. Generowana przez nie moc ma sięgać 500MW.

Rys. Po prawej idea wieży słonecznej, u dołu zasada działania

 

 

Projekt ma szanse realizacji, chociaż problemem jest doprowadzenie na duża wysokość odpowiednio dużej ilości wody i jej cena. Koszt inwestycji przewidywany jest na 1,5 mld $.

 

7. Piec słoneczny

 

To najbardziej spektakularna metoda pozyskiwania energii słonecznej. Piec słoneczny zbudowany jest z parabolicznych luster skupiających energię słoneczną w jednym centralnym punkcie. Pokazany na zdjęciu i zbudowany w 1970 roku piec wytwarza temperaturę ponad 3000 C. Energia ta może być spożytkowana do produkcji prądu lub w fizyce wysokich temperatur. 

 

enersl19.jpg

Fot. Piec słoneczny we francuskich Pirenejach w miejscowości Odeillo.

 

Rys. Zasada działania elektrowni słoneczny piec.

 

Z uwagi na to, że zwierciadła paraboliczne zamontowane są tutaj na nieruchomej konstrukcji ściennej, promieniowanie słoneczne dociera do nich w sposób pośredni jako promieniowanie odbite od heliostatów zamocowanych na pobliskim wzgórzu. Całość posiada moc około 1 MW wybudowaną kosztem 2 mln $. Słoneczne piece potrafią generować ogromną energię skupiając ją na niewielkiej powierzchni, stąd   problemy materiałowe, ale jednocześnie możliwość niekonwencjonalnego zastosowania. Obecnie technologię tę można wykorzystywać np.

- do produkcji wodoru

- do produkcji nanorurek węglowych

- do badań materiałów wysokotemperaturowych wykorzystywanych np. w elektrowniach jądrowych

Wadą pieców słonecznych jest  zagrożenie dla ornitofauny z uwagi na oślepiające działanie odbitego światła. Zaleca się budowę tego typu obiektów w rejonach pustynnych.

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});