Концентрированная солнечная энергия

Солнечная башня мощность в Crescent проекта Dunes солнечной энергии концентрируя свет через 10000 Зеркальный гелиостатами охватывающих тринадцать миллионов квадратных футов (1,21 км ² ).

Три башни солнечной электростанции Иванпа

Часть солнечного комплекса SEGS мощностью 354 МВт в северном округе Сан-Бернардино, Калифорния

Khi Solar One , Южная Африка, с высоты птичьего полета

Системы концентрированной солнечной энергии ( CSP , также известные как концентрирующая солнечная энергия , концентрированная солнечная тепловая энергия ) вырабатывают солнечную энергию , используя зеркала или линзы для концентрации большой площади солнечного света на приемнике. ^[1] Электричество генерируется , когда концентрированный свет преобразуется в тепло ( солнечной тепловой энергии ), который приводит в действие тепловой двигатель (обычно паровой турбины ) подключен к электрической мощности генератора ^{[2] [3] [4]} или питает термохимические реакция. ^{[5] [6] [7]}

Общая установленная мощность CSP в мире составила 5 500  МВт в 2018 году по сравнению с 354 МВт в 2005 году. На Испанию приходилась почти половина мировой мощности - 2300 МВт, несмотря на то, что с 2013 года в стране не было введено в коммерческую эксплуатацию новых мощностей ^[8]. Далее следуют США с 1740 МВт. Интерес также заметен в Северной Африке и на Ближнем Востоке, а также в Индии и Китае. Первоначально на мировом рынке доминировали установки с параболическим желобом, на долю которых в какой-то момент приходилось 90% установок CSP. ^[9] Примерно с 2010 года центральная силовая опора CSP пользуется популярностью на новых заводах из-за ее более высоких рабочих температур - до 565 ° C (1049 ° F) по сравнению с максимальной температурой желоба в 400 ° C (752 ° F), что обещает большая эффективность.

Среди более крупных проектов CSP - объект солнечной энергии Ivanpah (392 МВт) в США, в котором используется технология башни солнечной энергии без накопления тепловой энергии, и солнечная электростанция Уарзазат в Марокко ^[10], которая сочетает в себе технологии желоба и башни для всего 510 МВт с несколькими часами хранения энергии.

Как тепловая электростанция, CSP имеет больше общего с тепловыми электростанциями, такими как угольные, газовые или геотермальные. Установка CSP может включать в себя накопитель тепловой энергии , который хранит энергию либо в виде явного тепла, либо в виде скрытого тепла (например, с использованием расплавленной соли ), что позволяет этим установкам продолжать вырабатывать электричество всякий раз, когда это необходимо, днем ​​или ночью. Это делает CSP управляемой формой солнечной энергии. Распространяемые возобновляемые источники энергии особенно ценны в местах, где уже наблюдается высокий уровень проникновения фотоэлектрической энергии (ФЭ), таких как Калифорния ^[11], потому что спрос на электроэнергию достигает пика ближе к закату, когда мощность ФЭ уменьшается (явление, называемоеутиная кривая ). ^[12]

CSP часто сравнивают с фотоэлектрическими солнечными батареями (PV), поскольку они оба используют солнечную энергию. В то время как солнечные фотоэлектрические установки испытали огромный рост в последние годы из-за падения цен, ^{[13] [14]} рост солнечных панелей CSP был медленным из-за технических трудностей и высоких цен. В 2017 году на долю CSP приходилось менее 2% мировой установленной мощности солнечных электростанций. ^[15] Однако CSP может легче накапливать энергию в ночное время, что делает его более конкурентоспособным по сравнению с управляемыми генераторами и установками базовой нагрузки. ^{[16] [17] [18] [19]}

Проект DEWA в Дубае, строившийся в 2019 году, установил мировой рекорд по самой низкой цене CSP в 2017 году на уровне 73 долларов США за МВтч ^[20] для комбинированного проекта лотка и башни мощностью 700 МВт: лоток 600 МВт, башня 100 МВт с 15 часов хранения тепловой энергии ежедневно. Тарифы CSP для базовой нагрузки в чрезвычайно засушливом регионе Атакама в Чили достигли уровня ниже 50 долларов за МВтч на аукционах 2017 года. ^{[21] [22]}

История

Легенда гласит, что Архимед использовал «горящее стекло», чтобы сконцентрировать солнечный свет на вторгающемся римском флоте и отразить его из Сиракуз . В 1973 году греческий ученый, доктор Иоаннис Саккас, интересовавшийся, действительно ли Архимед мог уничтожить римский флот в 212 году до нашей эры, выстроил в ряд около 60 греческих моряков, каждый из которых держал продолговатое зеркало с наконечником, чтобы ловить солнечные лучи и направлять их на смолу. силуэт, покрытый фанерой, на расстоянии 49 м (160 футов). Корабль загорелся через несколько минут; однако историки продолжают сомневаться в истории Архимеда. ^[23]

В 1866 году Огюст Мушу использовал параболический желоб для производства пара для первой солнечной паровой машины. 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 Франк Шуман, разработали концентрирующие устройства на солнечной энергии для ирригации, охлаждения и передвижения. В 1913 году Шуман завершил строительство параболической солнечной тепловой электростанции мощностью 55 лошадиных сил (41 кВт) в Маади, Египет, для орошения. ^{[24] [25] [26] [27]} Первая солнечная энергетическая система, использующая зеркальную тарелку, была построена доктором Р. Х. Годдардом., который уже был хорошо известен своими исследованиями ракет на жидком топливе и в 1929 году написал статью, в которой утверждал, что все предыдущие препятствия были устранены. ^[28]

Профессор Джованни Франсиа (1911–1980) спроектировал и построил первую электростанцию ​​концентрированной солнечной энергии, которая была введена в эксплуатацию в Сант'Иларио, недалеко от Генуи, Италия, в 1968 году. Эта электростанция имела архитектуру сегодняшних электростанций с опорными башнями с солнечным приемником в корпусе. центр поля солнечных коллекторов. Установка была способна производить 1 МВт с перегретым паром при 100 бар и 500 ° C. ^[29] Башня Solar One мощностью 10 МВт была разработана в Южной Калифорнии в 1981 году. Solar One была преобразована в Solar Two.в 1995 г. была внедрена новая конструкция с расплавом солевой смеси (60% нитрата натрия, 40% нитрата калия) в качестве рабочего тела приемника и в качестве среды для хранения. Подход с использованием расплавленной соли оказался эффективным, и Solar Two успешно работала до тех пор, пока не была выведена из эксплуатации в 1999 году. ^[30] Технология параболического желоба близлежащих систем производства солнечной энергии (SEGS), начатая в 1984 году, была более работоспособной. До 2014 года SEGS мощностью 354 МВт была крупнейшей солнечной электростанцией в мире.

Никакая коммерческая концентрированная солнечная энергия не строилась с 1990 года, когда была завершена SEGS, до 2006 года, когда была построена компактная линейная рефлекторная система Френеля на электростанции Лидделл в Австралии. Несколько других станций были построены с такой конструкцией, хотя Кимберлинская солнечная тепловая электростанция мощностью 5 МВт открылась в 2009 году.

В 2007 году была построена установка Nevada Solar One мощностью 75 МВт - это первая крупная электростанция со времен SEGS. В период с 2009 по 2013 год Испания построила более 40 систем параболических желобов, стандартизированных в блоках мощностью 50 МВт.

Благодаря успеху Solar Two в 2011 году в Испании была построена коммерческая электростанция под названием Solar Tres Power Tower , позже переименованная в Gemasolar Thermosolar Plant. Результаты Gemasolar проложили путь для других растений этого типа. Солнечная электростанция Иванпа была построена в то же время, но без аккумулирования тепла, с использованием природного газа для подогрева воды каждое утро.

Большинство концентрированных солнечных электростанций используют конструкцию параболического желоба вместо силовой башни или систем Френеля. Также были вариации систем параболических желобов, таких как интегрированный комбинированный цикл солнечной энергии (ISCC), который сочетает в себе желоба и традиционные системы отопления на ископаемом топливе.

Первоначально CSP рассматривался как конкурент фотоэлектрической энергии, и Ivanpah был построен без накопителя энергии, хотя Solar Two предусматривал несколько часов накопления тепла. К 2015 году цены на фотогальванические установки упали и PV коммерческая власть продает за 1 / 3 последние контракты НСП. ^{[31] [32]} Однако все чаще CSP предлагали хранить от 3 до 12 часов тепловой энергии, что сделало CSP управляемой формой солнечной энергии. ^[33] Таким образом, он все чаще рассматривается как конкурирующий с природным газом и фотоэлектрическими батареями за счет гибкой управляемой мощности.

Текущая технология

CSP используется для производства электроэнергии (иногда называемой солнечным термоэлектричеством, обычно вырабатываемым с помощью пара ). В системах на основе концентрированной солнечной энергии используются зеркала или линзы с системами отслеживания для фокусировки большой площади солнечного света на небольшой площади. Затем концентрированный свет используется в качестве тепла или источника тепла для традиционной электростанции (солнечное термоэлектричество). Солнечные концентраторы, используемые в системах CSP, часто также могут использоваться для обеспечения промышленного нагрева или охлаждения, например, в системах солнечного кондиционирования воздуха .

Концентрирующие технологии существуют в четырех оптических типах: параболический желоб , тарелка , концентрирующий линейный рефлектор Френеля и солнечная энергетическая башня . ^[34] Параболический желоб и концентрирующие линейные отражатели Френеля классифицируются как типы коллектора с линейным фокусом, в то время как тарелка и солнечная башня относятся к типам точечного фокусирования. Коллекторы с линейной фокусировкой достигают средних факторов концентрации (50 солнц и более), а коллекторы с точечной фокусировкой достигают высоких показателей концентрации (более 500 солнц). Несмотря на свою простоту, эти солнечные концентраторы довольно далеки от теоретической максимальной концентрации. ^{[35] [36]} Например, концентрация в параболическом желобе дает около 1 ⁄3 теоретического максимума для расчетного приемлемого угла , то есть для тех же общих допусков для системы. Приближение к теоретическому максимуму может быть достигнуто за счет использования более совершенных концентраторов на основе безобразующей оптики . ^{[35] [36] [37]}

Концентраторы разных типов производят разные пиковые температуры и, соответственно, разную термодинамическую эффективность из-за различий в способах, которыми они отслеживают солнце и фокусируют свет. Новые инновации в технологии CSP приводят к тому, что системы становятся все более и более рентабельными. ^{[38] [39]}

Параболический желоб

Параболический желоб состоит из линейного параболического отражателя, который концентрирует свет на приемнике, расположенном вдоль фокальной линии отражателя. Приемник представляет собой трубку, расположенную на продольной фокальной линии параболического зеркала и заполненную рабочей жидкостью. Рефлектор следует за солнцем в дневное время, отслеживая его по одной оси. Рабочая текучая среда (например , расплавленная соль ^[40] ) нагревают до 150-350 ° C (302-662 ° F) , как она протекает через приемник и затем используются в качестве источника тепла для системы выработки электроэнергии. ^[41] Лотковые системы являются наиболее развитой технологией CSP. Установки для производства систем солнечной энергии (SEGS) в Калифорнии, первые в мире коммерческие установки с параболическим желобом, Acciona'sНевада Solar One около Боулдер-Сити, штат Невада , и Андасол , первая в Европе коммерческая установка с параболическими желобами, являются репрезентативными, а также испытательные установки SSPS-DCS Plataforma Solar de Almería в Испании . ^[42]

Закрытый желоб

Конструкция включает солнечную тепловую систему в теплице, похожей на теплицу. Теплица создает защищенную среду, способную противостоять элементам, которые могут отрицательно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы. ^[43] Легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечные лучи, подвешены к потолку теплицы на проволоке. А система слежения за одноосные положения зеркала , чтобы получить оптимальное количество солнечного света. Зеркала концентрируют солнечный свет и фокусируют его на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. ^[44]Вода проходит по всей длине трубы, которая нагревается до образования пара при воздействии интенсивного солнечного излучения. Защита зеркал от ветра позволяет им достичь более высоких температур и предотвращает скопление пыли на зеркалах. ^[43]

GlassPoint Solar , компания, создавшая дизайн закрытого желоба, заявляет, что ее технология может производить тепло для повышения нефтеотдачи (EOR) примерно по 5 долларов за 290 кВтч (1000000 БТЕ) в солнечных регионах, по сравнению с 10-12 долларами для других традиционных солнечных тепловых сетей. технологии. ^[45]

Башня солнечной энергии

Башня солнечной энергии состоит из массива двухосных отслеживающих отражателей ( гелиостатов ), которые концентрируют солнечный свет на центральном приемнике на вершине башни; в ресивере находится теплоноситель, который может состоять из водяного пара или солевого расплава . Оптически мачта солнечной энергии такая же, как круглый рефлектор Френеля. Рабочая жидкость в приемнике нагревается до 500–1000 ° C (773–1 273 K или 932–1 832 ° F), а затем используется в качестве источника тепла для выработки электроэнергии или системы хранения энергии. ^[41]Преимущество солнечной башни в том, что отражатели можно регулировать вместо всей башни. Технология Power Tower менее продвинута, чем системы лотков, но они предлагают более высокую эффективность и лучшие возможности хранения энергии. Применение опорной башни также возможно с гелиостатами для нагрева рабочей жидкости. ^[46]

Solar Two в Daggett , Калифорнии и CESA-1 в Платаформе солнечной де Альмерия Альмерии, Испания, являются наиболее представительными демонстрационными установками. Planta Solar 10 (PS10) в Sanlucar - ла - Майор , Испания, является первой коммерческой утилиты масштабе солнечной энергии башня в мире. Солнечная электростанция Иванпа мощностью 377 МВт , расположенная в пустыне Мохаве , является крупнейшей в мире электростанцией, использующей три опоры электростанции. ^[47] Ivanpah произвел только 0,652 ТВтч (63%) своей энергии за счет солнечной энергии, а остальные 0,388 ТВтч (37%) были произведены за счет сжигания природного газа .^{[48] [49] [50]}

Отражатели Френеля

Отражатели Френеля состоят из множества тонких плоских зеркальных полос, чтобы концентрировать солнечный свет на трубках, по которым перекачивается рабочая жидкость. Плоские зеркала обеспечивают большую отражающую поверхность на том же пространстве, чем параболические отражатели, таким образом улавливая больше доступного солнечного света, и они намного дешевле, чем параболические отражатели. Отражатели Френеля могут использоваться в CSP различного размера. ^{[51] [52]}

Отражатели Френеля иногда считаются технологией с худшей производительностью, чем другие методы. Экономическая эффективность этой модели - это то, что заставляет некоторых использовать ее вместо других с более высокими показателями производительности. Некоторые новые модели отражателей Френеля с возможностью трассировки лучей начали испытываться, и изначально было доказано, что они дают более высокую производительность, чем стандартная версия. ^[53]

Блюдо Стирлинг

Тарелка Стирлинга или система двигателя тарелки состоит из автономного параболического отражателя, который концентрирует свет на приемнике, расположенном в фокусной точке отражателя. Рефлектор отслеживает Солнце по двум осям. Рабочая жидкость в ресивере нагревается до 250–700 ° C (482–1292 ° F), а затем используется двигателем Стирлинга для выработки энергии. ^[41] Параболические тарелки обеспечивают высокий КПД преобразования солнечной энергии в электрическую (от 31% до 32%), а их модульный характер обеспечивает масштабируемость. Stirling Energy Systems (SES), Объединенный Sun Systems (USS) и Science Applications International Corporation (SAIC) блюда в UNLV , и Австралийский национальный университет" Big Dish" в Канберре , Австралия, является представителем этой технологии. 31 января 2008 года, в холодный и ясный день, на Национальном испытательном центре солнечной тепловой энергии (NSTTF) в Нью-Мексико был установлен мировой рекорд КПД от солнечной энергии к электрическому - 31,25% . ^[54] По словам разработчика, шведской фирмы Ripasso Energy, в 2015 году ее система Dish Sterling, тестируемая в пустыне Калахари в Южной Африке, показала эффективность 34%. ^[55] Электростанция SES в Марикопе, Феникс, была крупнейшей в мире электростанцией Стерлинга, пока не была продана United Sun Systems.. Впоследствии большие части установки были перемещены в Китай в связи с огромным спросом на энергию.

Солнечная тепловая энергия для повышения нефтеотдачи

Солнечное тепло может использоваться для производства пара, который делает тяжелую нефть менее вязкой и ее легче перекачивать. Солнечная энергетическая башня и параболические желоба могут использоваться для подачи пара, который используется напрямую, поэтому не требуются генераторы и не производится электричество. Повышенная нефтеотдача с помощью солнечной энергии может продлить срок службы нефтяных месторождений с очень густой нефтью, которую в противном случае было бы экономически нецелесообразно перекачивать. ^[56]

CSP с накопителем тепловой энергии

В установке CSP, которая включает хранилище, солнечная энергия сначала используется для нагрева расплавленной соли или синтетического масла, которое хранится, обеспечивая тепловую / тепловую энергию при высокой температуре в изолированных резервуарах. ^{[57] [58]} Позже горячая соль (или масло) используется в парогенераторе для производства пара для выработки электроэнергии с помощью парового турбогенератора в соответствии с требованиями. ^[59] Таким образом, солнечная энергия, доступная только при дневном свете, используется для круглосуточного производства электроэнергии по запросу в качестве нагрузки, следующей за электростанцией или солнечной электростанцией. ^{[60] [61]} Емкость аккумуляторов тепла указывается в часах выработки электроэнергии согласно паспортной мощности . В отличие от солнечных панелейили CSP без хранилища, производство энергии от солнечных тепловых аккумуляторов является управляемым и самоокупаемым, как и угольные / газовые электростанции, но без загрязнения. ^[62] CSP с накопителями тепловой энергии также могут использоваться в качестве когенерационных установок для круглосуточного снабжения электроэнергией и технологическим паром. По состоянию на декабрь 2018 года стоимость генерации CSP с теплоаккумулирующими установками варьировалась от 5 центов евро / кВтч до 7 центов евро / кВтч в зависимости от хорошей или средней солнечной радиации, получаемой в месте. ^[63] В отличие от солнечных фотоэлектрических установок, CSP с теплоаккумулирующими установками также можно экономично использовать круглосуточно для производства только технологического пара, заменяя загрязняющие выбросы ископаемого топлива.. Установка CSP также может быть интегрирована с солнечными панелями для лучшей синергии. ^{[64] [65] [66]}

Также доступны CSP с системами хранения тепла, использующие цикл Брайтона с воздухом вместо пара для круглосуточного производства электроэнергии и / или пара. Эти электростанции CSP оснащены газовой турбиной для выработки электроэнергии. ^[67] Они также имеют небольшую мощность (<0,4 МВт) с возможностью установки на площади в несколько акров. ^[67] Отработанное тепло электростанции также может использоваться для производства технологического пара и для нужд отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха . ^[68] В случае, если наличие земли не является ограничением, можно установить любое количество этих модулей мощностью до 1000 МВт с RAMS и экономическим преимуществом, поскольку стоимость этих блоков на МВт дешевле, чем солнечные тепловые станции большего размера. ^[69]

Круглосуточное централизованное централизованное теплоснабжение также возможно с помощью аккумуляторов концентрированной солнечной энергии . ^[70]

Производство углеродно-нейтрального топлива

Производство углеродно-нейтрального синтетического топлива с использованием концентрированной солнечной тепловой энергии при температуре около 1500 ° C технически осуществимо и коммерчески целесообразно в ближайшем будущем при снижении затрат на установки CSP. ^[71] Также углеродно-нейтральный водород может быть произведен с помощью солнечной тепловой энергии (CSP), используя серно -йодный цикл , гибридный серный цикл , цикл оксида железа, цикл медь -хлор , цикл цинк-оксид цинка , оксид церия (IV) -церий ( III) оксидный цикл и др.

Развертывание по всему миру

Коммерческое развертывание заводов CSP началось в 1984 году в США с заводов SEGS . Последний завод SEGS был построен в 1990 году. С 1991 по 2005 год ни один завод CSP не строился нигде в мире. Глобальная установленная емкость CSP увеличилась почти в десять раз в период с 2004 по 2013 год и росла в среднем на 50 процентов в год в течение последних пяти из этих лет. ^{[74] : 51} В 2013 году мировая установленная мощность увеличилась на 36%, или почти на 0,9 гигаватт (ГВт), до более чем 3,4 ГВт. Испания и СШАоставались мировыми лидерами, в то время как количество стран с установленными CSP росло, но быстрое снижение цен на фотоэлектрические солнечные батареи, изменения в политике и мировой финансовый кризис остановили развитие в этих странах. 2014 год был лучшим годом для CSP, но за ним последовал стремительный спад: в 2016 году в мире было построено только одно крупное предприятие. Наблюдается заметная тенденция в сторону развивающихся стран и регионов с высоким уровнем солнечной радиации с несколькими крупными заводами, строящимися в 2017 году.

Эффективность

Эффективность концентрирующей солнечной энергетической системы будет зависеть от технологии, используемой для преобразования солнечной энергии в электрическую, рабочей температуры приемника и отвода тепла, тепловых потерь в системе и наличия или отсутствия других системных потерь; Помимо эффективности преобразования, оптическая система, концентрирующая солнечный свет, также добавляет дополнительные потери.

В реальных системах заявлен максимальный КПД преобразования 23–35% для систем типа «силовая башня», работающих при температурах от 250 до 565 ° C, с более высоким значением КПД для турбины с комбинированным циклом. Системы Блюдо-Стирлинга, работающие при температурах 550-750 ° C, заявляют о КПД около 30%. ^[79] Из-за различий в падении солнечного света в течение дня, средний достигнутый КПД преобразования не равен этим максимальным КПД, а чистый годовой КПД преобразования солнечной энергии в электричество составляет 7-20% для пилотных систем опорных башен и 12- 25% для демонстрационных систем тарелок Стирлинга. ^[79]

Теория

Максимальная эффективность преобразования любой тепловой системы в электрическую определяется КПД Карно , который представляет собой теоретический предел эффективности, который может быть достигнут любой системой, установленным законами термодинамики . Реальные системы не достигают эффективности Карно.

Эффективность преобразования падающего солнечного излучения в механическую работу зависит от свойств теплового излучения солнечного приемника и от теплового двигателя ( например, паровой турбины). Солнечное излучение сначала преобразуется в тепло солнечным приемником с эффективностью, а затем тепло преобразуется в механическую энергию с помощью теплового двигателя с эффективностью , используя принцип Карно . ^{[80] [81]} Затем механическая энергия преобразуется в электрическую с помощью генератора. Для солнечного приемника с механическим преобразователем ( например , турбины) общий коэффициент преобразования можно определить следующим образом:${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle \ eta _ {Получатель}}$${\ displaystyle \ eta _ {механический}}$

${\ displaystyle \ eta = \ eta _ {\ mathrm {optics}} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {Receiver}} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {Mechanical}} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {generator }}}$

где представляет собой долю падающего света, сконцентрированного на приемнике, долю света, падающего на приемник, которая преобразуется в тепловую энергию, эффективность преобразования тепловой энергии в механическую и эффективность преобразования механической энергии в электрическую.${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {optics}}}$${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {получатель}}}$${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {механический}}}$${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {generator}}}$

${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {получатель}}}$ является:

${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {получатель}} = {\ frac {Q _ {\ mathrm {поглощено}} -Q _ {\ mathrm {lost}}} {Q _ {\ mathrm {инцидент}}}}}$

с , соответственно , приходящим солнечным потоком и потоками, поглощенными и потерянными солнечным приемником системы.${\ displaystyle Q _ {\ mathrm {инцидент}}}$${\displaystyle Q_{\mathrm {absorbed} }}$${\displaystyle Q_{\mathrm {lost} }}$

Эффективность преобразования - это не более чем КПД Карно, который определяется температурой приемника и температурой отвода тепла («температура радиатора») .${\displaystyle \eta _{\mathrm {mechanical} }}$${\displaystyle T_{H}}$${\displaystyle T^{0}}$

${\displaystyle \eta _{\mathrm {Carnot} }=1-{\frac {T^{0}}{T_{H}}}}$

Реальный КПД типичных двигателей достигает от 50% до не более 70% КПД Карно из-за таких потерь, как тепловые потери и ветер в движущихся частях.

Идеальный случай

Для солнечного потока (например ) сосредоточенное время с эффективностью на системном солнечном приемнике с площадью сбора и поглощательной способностью :${\displaystyle I}$${\displaystyle I=1000\,\mathrm {W/m^{2}} }$${\displaystyle C}$${\displaystyle \eta _{Optics}}$${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle Q_{\mathrm {solar} }=ICA}$,

${\displaystyle Q_{\mathrm {absorbed} }=\eta _{\mathrm {optics} }\alpha Q_{\mathrm {solar} }}$,

Для простоты можно предположить, что потери являются только радиационными (справедливое предположение для высоких температур), таким образом, для области переизлучения A и коэффициента излучения, применяя закон Стефана – Больцмана, дает:${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle Q_{\mathrm {lost} }=A\epsilon \sigma T_{H}^{4}}$

Упрощение этих уравнений с учетом идеальной оптики ( = 1) и без учета конечного этапа преобразования в электричество генератором, сбора и повторного излучения равных площадей и максимальной поглощающей способности и излучательной способности ( = 1, = 1), а затем подстановка в первое уравнение дает${\displaystyle \eta _{\mathrm {Optics} }}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle \eta =\left(1-{\frac {\sigma T_{H}^{4}}{IC}}\right)\cdot \left(1-{\frac {T^{0}}{T_{H}}}\right)}$

График показывает, что общий КПД не увеличивается постоянно с увеличением температуры приемника. Хотя эффективность теплового двигателя (Карно) увеличивается с повышением температуры, эффективность приемника - нет. Напротив, эффективность приемника снижается, поскольку количество энергии, которое он не может поглотить ( _потери Q ), растет в четвертой степени в зависимости от температуры. Следовательно, существует максимально достижимая температура. Когда эффективность приемника равна нулю (синяя кривая на рисунке ниже), T _max составляет:${\displaystyle T_{\mathrm {max} }=\left({\frac {IC}{\sigma }}\right)^{0.25}}$

Существует температура T _опт , для которых эффективность максимальна, то есть . когда производная эффективности относительно температуры приемника равна нулю:

${\displaystyle {\frac {d\eta }{dT_{H}}}(T_{\mathrm {opt} })=0}$

Следовательно, это приводит нас к следующему уравнению:

${\displaystyle T_{opt}^{5}-(0.75T^{0})T_{\mathrm {opt} }^{4}-{\frac {T^{0}IC}{4\sigma }}=0}$

Численное решение этого уравнения позволяет получить оптимальную температуру процесса в соответствии с коэффициентом солнечной концентрации (красная кривая на рисунке ниже)${\displaystyle C}$

Помимо теоретической эффективности, реальный опыт CSP показывает 25–60% -ный дефицит прогнозируемого производства, значительная часть которого связана с практическими потерями цикла Карно, не включенными в приведенный выше анализ.

Расходы

Уже в 2011 году быстрое снижение цен на фотоэлектрические системы привело к прогнозам, что CSP больше не будет экономически жизнеспособным. ^[82] По состоянию на 2020 год наименее дорогие концентрированные солнечные электростанции коммунального масштаба в Соединенных Штатах и ​​во всем мире в пять раз дороже, чем фотогальванические электростанции коммунального масштаба , с прогнозируемой минимальной ценой в 7 центов за киловатт-час для самые передовые станции CSP против рекордно низких 1,32 цента за кВтч ^[83] для фотоэлектрических систем коммунального масштаба. ^[84] Эта пятикратная разница в ценах сохраняется с 2018 года. ^[85]

Несмотря на то, что общее развертывание CSP остается ограниченным, приведенная стоимость электроэнергии промышленных предприятий за последние годы значительно снизилась. При скорости обучения, оцениваемой примерно в 20% снижения затрат на каждое удвоение мощности ^[86], стоимость приближалась к верхней границе диапазона затрат на ископаемое топливо в начале 2020-х годов благодаря схемам поддержки в нескольких странах, включая Испанию, США, Марокко, Южная Африка, Китай и ОАЭ:

Внедрение CSP значительно замедлилось, поскольку большинство вышеупомянутых рынков отказались от своей поддержки ^[87], поскольку технология оказалась более дорогой в пересчете на кВтч, чем солнечная фотоэлектрическая и ветровая энергия. Некоторые ожидают, что CSP в сочетании с накоплением тепловой энергии (TES) станет дешевле, чем фотоэлектрические системы с литиевыми батареями при продолжительности хранения более 4 часов в день ^{[88], в} то время как NREL ожидает, что к 2030 году фотоэлектрические системы с 10-часовыми литиевыми батареями будут стоить дороже. столько же, сколько PV с 4-часовым хранением, использовавшееся в 2020 году. ^[89]

Стимулы и рынки

Испания

В 2008 году Испания открыла первый в Европе рынок CSP коммерческого масштаба. До 2012 года солнечно-тепловая генерация электроэнергии изначально имела право на оплату зеленых тарифов (статья 2 RD 661/2007), что привело к созданию крупнейшего в мире парка CSP, который при установленной мощности 2,3 ГВт составляет около 5 ТВтч электроэнергии. мощность в испанскую сеть каждый год. ^[90] Первоначальные требования к заводам в FiT были:

• Системы, зарегистрированные в реестре систем до 29 сентября 2008 г .: 50 МВт для гелиотермических систем.
• Системы, зарегистрированные после 29 сентября 2008 г. (только PV).

Пределы пропускной способности для различных типов систем пересматривались во время ежеквартального анализа условий применения (статья 5 RD 1578/2008, Приложение III RD 1578/2008). До окончания периода подачи заявок рыночные ограничения, указанные для каждого типа системы, публикуются на веб-сайте Министерства промышленности, туризма и торговли (статья 5 RD 1578/2008). ^[91] Из-за проблем с затратами Испания приостановила прием новых проектов по льготному тарифу 27 января 2012 г. ^{[92] [93]} Уже принятые проекты были затронуты 6% -ным «налогом на солнечную энергию» . тарифы, эффективно снижая зеленый тариф. ^[94]

В этом контексте правительство Испании приняло в 2013 году Королевский указ-закон 9/2013 ^[95] , направленный на принятие неотложных мер по обеспечению экономической и финансовой стабильности электроэнергетической системы, заложив основы нового Закона 24 /. 2013 года в электроэнергетическом секторе Испании. ^[96] Эта новая ретроактивная правовая и экономическая база, применяемая ко всем системам возобновляемой энергии, была разработана в 2014 году RD 413/2014, ^[97] который отменил прежнюю нормативную базу, установленную RD 661/2007 и RD 1578/2008. и определил новую схему вознаграждения для этих активов.

После десятилетия, потерянного для CSP в Европе, Испания объявила в своем Национальном энергетическом и климатическом плане намерение добавить 5 ГВт мощности CSP в период с 2021 по 2030 год. ^[98] С этой целью проводимые два раза в год аукционы на 200 МВт мощности CSP, начиная с 2021 года. ожидаются, но подробности пока не известны. ^[99]

Австралия

На данный момент в Австралии не введен в эксплуатацию проект CSP коммерческого масштаба, но было предложено несколько проектов. В 2017 году обанкротившийся американский разработчик CSP SolarReserve получил PPA на реализацию проекта солнечной тепловой электростанции Aurora мощностью 150 МВт в Южной Австралии по рекордно низкой цене всего 0,08 австралийских доллара за кВтч или около 0,06 доллара США за кВтч. ^[100] К сожалению, компании не удалось получить финансирование, и проект был отменен. Еще одно многообещающее применение CSP в Австралии - шахты, которые нуждаются в электроэнергии круглосуточно и без выходных, но часто не имеют подключения к сети. Vast Solar - стартап-компания, стремящаяся коммерциализировать новую модульную конструкцию CSP третьего поколения ^{[101] [102]}планирует начать строительство комбайна CSP и фотоэлектрической установки мощностью 50 МВт на горе Айза в Северо-Западном Квинсленде в 2021 году. ^[103]

На федеральном уровне в рамках Крупномасштабной цели по возобновляемым источникам энергии (LRET), действующей в соответствии с Законом о возобновляемой энергии 2000 года, крупномасштабное производство солнечной тепловой электроэнергии на аккредитованных электростанциях RET может иметь право на создание сертификатов крупномасштабной генерации (LGCs). ). Эти сертификаты затем могут быть проданы и переданы ответственным лицам (обычно розничным продавцам электроэнергии) для выполнения своих обязательств по этой схеме торгуемых сертификатов. Однако, поскольку это законодательство технологически нейтрально в своей работе, оно имеет тенденцию отдавать предпочтение более устоявшимся технологиям возобновляемой энергии с более низкими нормированными затратами на генерацию, таким как крупномасштабный наземный ветер, а не солнечное тепло и CSP. ^[104] На государственном уровне возобновляемые источники энергииЗаконы о питании обычно ограничиваются максимальной производительностью в кВт · п, и открыты только для микро- или средней генерации, а в ряде случаев открыты только для солнечной фотоэлектрической генерации. Это означает, что крупномасштабные проекты CSP не будут иметь права на оплату льготных льгот во многих юрисдикциях штатов и территорий.

Китай

В 2016 году Китай объявил о своем намерении создать серию из 20 технологически разнообразных демонстрационных проектов CSP в контексте 13 -го пятилетнего плана с намерением создать международно-конкурентоспособную отрасль CSP. ^[105] Поскольку первые электростанции были построены в 2018 году, выработка электроэнергии на станциях с теплоаккумулятором поддерживается административно установленным FiT в размере 1,5 юаня за кВтч. ^[106] В конце 2020 года в Китае эксплуатировалось в общей сложности 545 МВт на 12 станциях CSP, ^[107] семь станций (320 МВт) представляют собой солевые башни; еще две станции (150 МВт) используют проверенную конструкцию параболического желоба Eurotrough 150 ^[108]три завода (75 МВт) используют облицовочные коллекторы Френеля. Планы по созданию второй партии демонстрационных проектов так и не были реализованы, а дальнейшая техническая поддержка CSP в предстоящем 14 -м пятилетнем плане неизвестна. Текущая поддержка установлена ​​для оставшихся проектов из демонстрационной партии и закончится в конце 2021 года. ^[109]

Индия

В марте 2020 года SECI объявил тендеры на 5000 МВт, которые могут представлять собой сочетание солнечной фотоэлектрической, солнечной тепловой энергии с накоплением и энергии на основе угля (минимум 51% из возобновляемых источников) для круглосуточной подачи электроэнергии с минимальной годовой доступностью 80%. ^{[110] [111]}

Будущее

В исследовании, проведенном Greenpeace International , Европейской ассоциацией солнечной тепловой энергии и группой SolarPACES Международного энергетического агентства, изучались потенциал и будущее концентрированной солнечной энергии. Исследование показало, что к 2050 году на концентрированную солнечную энергию может приходиться до 25% мировых потребностей в энергии. Рост инвестиций в этот период составит с 2 миллиардов евро во всем мире до 92,5 миллиардов евро. ^[112] Испания является лидером в области технологий концентрированной солнечной энергии: в разработке находится более 50 утвержденных правительством проектов. Кроме того, он экспортирует свою технологию, что еще больше увеличивает долю этой технологии в мировой энергетике. Потому что эта технология лучше всего работает в областях с высокой инсоляцией.(солнечная радиация) эксперты прогнозируют наибольший рост в таких странах, как Африка, Мексика и юго-запад США. Это указывает на то, что системы аккумулирования тепла на основе нитратов ( кальция , калия , натрия и т. Д.) Сделают заводы CSP все более прибыльными. В исследовании были изучены три различных результата для этой технологии: отсутствие роста технологии CSP, продолжение инвестиций, как это было в Испании и США, и, наконец, истинный потенциал CSP без каких-либо препятствий для его роста. Выводы третьей части представлены в таблице ниже:

Наконец, в исследовании было признано, как улучшаются технологии для CSP и как это приведет к резкому снижению цен к 2050 году. В нем прогнозировалось падение с текущего диапазона 0,23–0,15 евро / кВтч до 0,14–0,10 евро / кВтч. ^[112]

Европейский Союз рассматривал возможность развития сети солнечных электростанций стоимостью 400 миллиардов евро (774 миллиарда долларов США), базирующейся в регионе Сахары с использованием технологии CSP, известной как Desertec , для создания «новой безуглеродной сети, соединяющей Европу, Ближний Восток и Северная Африка". План был поддержан в основном немецкими промышленниками и прогнозировал производство 15% электроэнергии в Европе к 2050 году. Марокко было основным партнером Desertec, и, поскольку на него приходилось едва ли 1% потребления электроэнергии в ЕС, оно могло производить более чем достаточно энергии для всю страну с большим избытком энергии для доставки в Европу. ^{[113] В} Алжире самая большая территория пустыни, и частная алжирская фирма Cevital подписала контракт с Desertec. ^[113]Благодаря своей широкой пустыне (самый высокий потенциал CSP в регионах Средиземного моря и Ближнего Востока ~ около 170 ТВтч / год) и своему стратегическому географическому положению недалеко от Европы, Алжир является одной из ключевых стран, обеспечивающих успех проекта Desertec. Более того, с обильными запасами природного газа в пустыне Алжира, это усилит технический потенциал Алжира в приобретении гибридных электростанций на солнечной энергии и газе для круглосуточного производства электроэнергии. Большинство участников отказались от участия в конце 2014 года.

Опыт работы с первыми в своем роде заводами CSP в США был неоднозначным. Солана в Аризоне и Иванпа в Калифорнии указывают на значительный дефицит производства электроэнергии от 25% до 40% в первые годы работы. Производители винят облака и ненастную погоду, но критики, похоже, считают, что это технологические проблемы. Эти проблемы заставляют коммунальные предприятия платить завышенные цены за оптовую электроэнергию и ставят под угрозу долгосрочную жизнеспособность технологии. Поскольку затраты на фотоэлектрические установки продолжают стремительно падать, многие думают, что у CSP ограниченное будущее в области производства электроэнергии в масштабах коммунальных предприятий. ^[114] В других странах, особенно в Испании и Южной Африке, установки CSP соответствуют проектным параметрам ^[115]

У CSP есть другие цели, кроме электричества. Исследователи изучают солнечные тепловые реакторы для производства солнечного топлива, что сделает солнечную энергию полностью переносимой формой энергии в будущем. Эти исследователи используют солнечное тепло CSP в качестве катализатора термохимии для разрушения молекул H ₂ O и создания водорода (H ₂ ) из солнечной энергии без выбросов углерода. ^[116] Расщепляя H ₂ O и CO ₂ , другие широко используемые углеводороды - например, реактивное топливо, используемое для полетов коммерческих самолетов - также могут быть созданы с помощью солнечной энергии, а не из ископаемого топлива. ^[117]

Очень крупные солнечные электростанции

Было выдвинуто несколько предложений по очень крупным солнечным электростанциям мощностью в гигаватт. ^[118] Они включают евро-средиземноморское предложение Desertec и проект Helios в Греции (10 ГВт), оба сейчас отменены. Исследование 2003 года пришло к выводу, что мир может генерировать 2 357 840 ТВт-ч каждый год на очень крупных солнечных электростанциях, использующих 1% каждой из пустынь мира. Общее потребление во всем мире составило 15 223 ТВт-ч / год ^[119] (в 2003 г.). Проекты мощностью в гигаватт представляли собой массивы одиночных электростанций стандартного размера. В 2012 году BLM предоставил 97 921 069 акров (39 627 251 га) земли на юго-западе Соединенных Штатов для проектов в области солнечной энергетики , что достаточно для от 10 000 до 20 000 ГВт. ^[120]Самая крупная из действующих станций - солнечная электростанция Noor мощностью 510 МВт . В 2022 году 4-я очередь CSP мощностью 700 МВт солнечного парка Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума мощностью 5 ГВт в Дубае станет крупнейшим солнечным комплексом с CSP.

Подходящие сайты

Места с наибольшей прямой освещенностью являются сухими, на большой высоте и расположены в тропиках . Эти места имеют более высокий потенциал для CSP, чем районы с меньшим количеством солнечных лучей.

Заброшенные карьеры , умеренные склоны холмов и углубления в кратерах могут быть выгодными в случае силовой башни CSP, поскольку силовая башня может быть расположена на земле как единое целое с резервуаром для хранения расплавленной соли. ^{[121] [122]}

Воздействие на окружающую среду

CSP оказывает ряд экологических последствий, в частности, на водопользование, землепользование и использование опасных материалов. ^[123] Вода обычно используется для охлаждения и очистки зеркал. В некоторых проектах изучаются различные подходы к сокращению количества воды и используемых чистящих средств, включая использование барьеров, антипригарных покрытий на зеркалах, систем водяного тумана и других. ^[124]

Водопользование

Концентрационные солнечные электростанции с системами мокрого охлаждения имеют самую высокую интенсивность водопотребления среди всех традиционных типов электростанций; только станции, работающие на ископаемом топливе с улавливанием и хранением углерода, могут иметь более высокую водопотребность. ^[125] Исследование 2013 года, сравнивающее различные источники электроэнергии, показало, что среднее потребление воды во время работы концентрирующих солнечных электростанций с влажным охлаждением составляло 3,1 кубических метра на мегаватт-час (810 галлонов США / МВт-ч) для электростанций с башней и 3,4 м ^3. / МВтч (890 галлонов США / МВтч) для желобов. Это было выше, чем эксплуатационное потребление воды (с градирнями) для атомных электростанций на уровне 2,7 м ³ / МВтч (720 галлонов США / МВтч), угля на уровне 2,0 м ³ / МВтч (530 галлонов США / МВтч) или природного газа на уровне 0,79 м3. ³/ МВтч (210 галлонов США / МВтч). ^[126] Исследование, проведенное в 2011 году Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, пришло к аналогичным выводам: для электростанций с градирнями потребление воды во время работы составляло 3,27 м ³ / МВт-ч (865 галлонов США / МВт-ч) для желоба CSP, 2,98 м ³ / МВт-ч. (786 галлонов США / МВтч) для градирни CSP, 2,60 м ³ / МВтч (687 галлонов США / МВтч) для угля, 2,54 м ³ / МВтч (672 галлона США / МВтч) для атомной энергетики и 0,75 м ³ / МВтч (198 амер. галлонов / МВтч) для природного газа. ^[127] Ассоциация предприятий солнечной энергетики отметила, что завод CSP в Неваде Solar One потребляет 3,2 м ³ / МВтч (850 галлонов США / МВтч). ^[128]Проблема потребления воды обостряется, потому что заводы CSP часто расположены в засушливых средах, где воды не хватает.

В 2007 году Конгресс США поручил Министерству энергетики отчитаться о способах сокращения потребления воды с помощью CSP. В последующем отчете отмечалось, что доступна технология сухого охлаждения, которая, хотя и является более дорогой в строительстве и эксплуатации, может снизить потребление воды CSP на 91–95 процентов. Гибридная система влажного / сухого охлаждения может снизить потребление воды на 32–58 процентов. ^[129] В отчете NREL за 2015 год отмечалось, что из 24 действующих электростанций CSP в США 4 использовали системы сухого охлаждения. Четыре системы с сухим охлаждением - это три электростанции на объекте солнечной энергии Иванпа недалеко от Барстоу, Калифорния , и проект Genesis Solar Energy в округе Риверсайд, Калифорния.. Из 15 проектов CSP, строящихся или разрабатываемых в США по состоянию на март 2015 года, 6 относились к мокрым системам, 7 - к сухим системам, 1 - к гибридным и 1 - к неопределенным.

Хотя многие старые ТЭЦ с прямоточными охлаждающими бассейнами или бассейнами-охладителями используют больше воды, чем CSP, это означает, что через их системы проходит больше воды, большая часть охлаждающей воды возвращается в водоем, доступный для других целей, и они потребляют меньше воды за счет испарение. Например, средняя угольная электростанция в США с прямоточным охлаждением потребляет 138 м ³ / МВт-ч (36 350 галлонов США / МВт-ч), но только 0,95 м ³ / МВт-ч (250 галлонов США / МВт-ч) (менее одного процента). теряется при испарении. ^[130] С 1970-х годов на большинстве электростанций США используются рециркуляционные системы, такие как градирни, а не прямоточные системы. ^[131]

Воздействие на дикую природу

Насекомые могут быть привлечены ярким светом, вызванным концентрированной солнечной технологией, и в результате птицы, которые на них охотятся, могут быть убиты ожогами, если они пролетят рядом с точкой фокусировки света. Это также может повлиять на хищников, которые охотятся на птиц. ^{[132] [133] [134] [135]} Оппоненты цитируют федеральных чиновников, ответственных за охрану дикой природы, которые называют силовые башни Иванпа «мега ловушками» для диких животных. ^{[136] [137] [138]}

Некоторые источники в СМИ сообщают, что солнечные электростанции повредили или убили большое количество птиц из-за сильного жара от концентрированных солнечных лучей. ^{[139] [140]} Некоторые утверждения могли быть завышены или преувеличены. ^[141]

Согласно строгой отчетности, за полгода было учтено 133 обожженных птицы. ^[142] Если сфокусировать не более четырех зеркал на одном месте в воздухе во время ожидания, в проекте Crescent Dunes Solar Energy Project , за три месяца уровень смертности упал до нуля. ^[143]

Смотрите также

использованная литература

внешняя ссылка

• Концентрация солнечной энергии
• Программа концентрации солнечной энергии NREL
• Plataforma Solar de Almeria, исследовательский центр CSP
• ISFOC (Институт концентрирующих фотоэлектрических систем)
• Балдизон, Роберто (5 марта 2019 г.). «Инновации в концентрированной солнечной тепловой энергии» . Средний . Проверено 18 января 2020 года .