Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Параболический желоб на заводе недалеко от озера Харпер, Калифорния

Параболический желоб представляет собой тип солнечного теплового коллектора , который находится прямо в одном измерении и изогнута в виде параболы в двух других, выровненной с полированным металлическим зеркалом . Солнечный свет , который входит в зеркало параллельно его плоскости симметрии фокусируется вдоль фокальной линии , где объекты располагаются, которые предназначены для нагревания. Например, в солнечной плите пища помещается на фокальной линии кормушки, которая готовится, когда кормушка направлена ​​так, чтобы Солнце находилось в плоскости симметрии.

Для других целей трубка, содержащая жидкость, проходит по длине желоба на его фокальной линии. Солнечный свет концентрируется на трубке, а жидкость нагревается до высокой температуры за счет энергии солнечного света. Горячая жидкость может быть направлена ​​к тепловому двигателю , который использует тепловую энергию для привода механизмов или для выработки электроэнергии. Этот коллектор солнечной энергии является наиболее распространенным и известным типом параболического желоба.

Когда жидкий теплоноситель используется для нагрева пара для привода стандартного турбогенератора, тепловой коэффициент полезного действия находится в диапазоне 60-80%. Общий КПД от коллектора до сети, то есть (выходная электрическая мощность) / (общая падающая солнечная энергия), составляет около 15%, аналогично фотоэлектрическим элементам (фотоэлектрическим элементам), но меньше, чем у концентраторов Стирлинга . Крупные солнечные тепловые электростанции нуждаются в методе хранения энергии, таком как резервуар с термоклином , в котором используется смесь кварцевого песка и кварцитовой породы для вытеснения значительной части объема резервуара. Затем он заполняется жидким теплоносителем, обычно расплавленной нитратной солью .

По состоянию на 2014 год, крупнейшие солнечные тепловые энергосистемы, использующие технологию параболического желоба, включают электростанции SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, электростанцию Solana мощностью 280 МВт с накоплением тепла на расплавленной соли , проект солнечной энергии Genesis мощностью 250 МВт, солнечную электростанцию ​​Solaben мощностью 200 МВт в Испании. Станция, и солнечная электростанция Andasol 1 . [1] [2]

Эффективность [ править ]

Схема солнечной фермы с параболическим желобом (вверху) и вид с торца того, как параболический коллектор фокусирует солнечный свет в своей фокусной точке.

Желоб обычно выровнен по оси север-юг и вращается, чтобы отслеживать движение солнца по небу каждый день. В качестве альтернативы желоб можно выровнять по оси восток-запад; это снижает общую эффективность коллектора из-за солнечного света, падающего на коллекторы под углом, но требует только выравнивания желоба с учетом смены времен года , избегая необходимости в следящих двигателях. Этот метод отслеживания приближается к теоретической эффективности в период весеннего и осеннего равноденствия с менее точной фокусировкой света в другое время в течение года. Ежедневное движение солнца по небу также вносит ошибки, самые большие на восходе и закате и самые маленькие в полдень. Из-за этих источников ошибок параболические впадины с сезонной корректировкой обычно проектируются с меньшимконцентрация приемочного продукта .

Концентраторы параболического желоба имеют простую геометрию, но их концентрация составляет примерно 1/3 теоретического максимума для того же угла приема , то есть для одинаковых общих допусков системы ко всем видам ошибок, включая упомянутые выше. Теоретический максимум лучше достигается с более сложными концентраторами, основанными на конструкции первично-вторичного контура с использованием оптики без формирования изображения [3] [4], которая может почти вдвое превышать концентрацию обычных параболических желобов [5] и используется для улучшения практических конструкций, например, с фиксированными приемники. [6]

Жидкий теплоноситель (обычно термомасло ) проходит через трубку, поглощая концентрированный солнечный свет. Это увеличивает температуру жидкости примерно до 400 ° C. [7] Теплоноситель затем используется для нагрева пара в стандартном турбогенераторе. Процесс экономичен, а для обогрева трубы тепловой КПД составляет 60-80%. Общий КПД от коллектора до сети, то есть (выходная электрическая мощность) / (общая падающая солнечная энергия), составляет около 15%, аналогично фотоэлектрическим элементам (фотоэлектрическим элементам), но меньше, чем у концентраторов Стирлинга . [8]

Дизайн [ править ]

Параболический желоб имеет форму параболы в плоскости xy, но является линейным в направлении z.

Параболический желоб состоит из нескольких модулей солнечных коллекторов ( SCM ), соединенных вместе, чтобы двигаться как одна сборка солнечных коллекторов ( SCA ). SCM может иметь длину до 15 метров (49 футов 3 дюйма) или более. Около дюжины или более SCM делают каждый SCA длиной до 200 метров (656 футов 2 дюйма). Каждый SCA представляет собой параболический желоб с независимым слежением.

SCM может быть выполнен в виде цельного параболического зеркала или собран с несколькими зеркалами меньшего размера, расположенными в параллельных рядах. Меньшие модульные зеркала требуют меньших машин для сборки зеркала, что снижает стоимость. Стоимость также снижается в случае необходимости замены поврежденного зеркала. Такое повреждение может произойти из-за удара каким-либо предметом в плохую погоду.

Кроме того, существуют параболические желоба V-типа, которые состоят из двух зеркал и расположены под углом друг к другу. [9]

В 2009 году ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и SkyFuel объединились для разработки больших изогнутых листов металла, которые потенциально могут быть на 30% дешевле, чем лучшие современные коллекторы концентрированной солнечной энергии, путем замены стеклянных моделей на серебряные. полимерный лист, который имеет те же характеристики, что и тяжелые стеклянные зеркала, но при гораздо более низкой стоимости и весе. Кроме того, его намного проще перемещать и устанавливать. В глянцевой пленке используется несколько слоев полимеров с внутренним слоем из чистого серебра. [10]

Поскольку этот возобновляемый источник энергии непостоянен по своей природе, были изучены методы хранения энергии, например технология хранения с одним резервуаром ( термоклин ) для крупных солнечных тепловых электростанций. При подходе к резервуару с термоклином используется смесь кварцевого песка и кварцитовой породы для вытеснения значительной части объема резервуара. Затем он заполняется теплоносителем, обычно расплавом нитратной соли .

Закрытый желоб [ править ]

Внутри закрытой системы желобов

Закрытая конструкция желоба инкапсулирует солнечную тепловую систему внутри теплицы. Теплица создает защищенную среду, способную противостоять элементам, которые могут снизить надежность и эффективность солнечной тепловой системы. [11]

В теплице подвешены легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечные лучи. Одной оси системы слежения позиции зеркала , чтобы следить за солнцем и фокус его свет на сети стационарных стальных труб, также отстранен от тепличной структуры. [12] Пар генерируется непосредственно с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода течет по длине труб без теплообменников или промежуточных рабочих жидкостей.

Затем произведенный пар подается непосредственно в существующую парораспределительную сеть месторождения, где пар непрерывно закачивается глубоко в нефтяной пласт. Защита зеркал от ветра позволяет им достигать более высоких температур и предотвращает накопление пыли в результате воздействия влажности. [11] GlassPoint Solar , компания, создавшая дизайн закрытого желоба, заявляет, что ее технология может производить тепло для EOR примерно по 5 долларов за миллион британских тепловых единиц в солнечных регионах, по сравнению с 10-12 долларами для других традиционных солнечных тепловых технологий. [13]

Закрытые желоба в настоящее время используются на солнечной электростанции Miraah в Омане . В ноябре 2017 года GlassPoint объявила о партнерстве с Aera Energy , которое принесет параболические желоба на нефтяное месторождение Южный Белридж , недалеко от Бейкерсфилда , Калифорния. [14]

Раннее коммерческое внедрение [ править ]

Патентный рисунок 1917 года для солнечной энергетической системы с параболическим желобом Шумана
Shuman sunengine 1907 г. Фото: журнал Technical World, сентябрь 1907 г.

В 1897 году Фрэнк Шуман , изобретатель, инженер и пионер солнечной энергии из США, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал, отражая солнечную энергию на квадратные ящики, заполненные эфиром, который имеет более низкую температуру кипения, чем вода, и внутри был снабжен черными трубами. который, в свою очередь, приводил в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company с намерением построить более крупные солнечные электростанции. Он, вместе со своим техническим советником ASE Ackermann и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойзом , [ цитата необходима ]разработали улучшенную систему с использованием зеркал для отражения солнечной энергии от коллекторных ящиков, увеличивая теплопроизводительность до такой степени, что теперь можно было использовать воду вместо эфира. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, работающий на воде под низким давлением, что позволило ему запатентовать всю систему солнечного двигателя к 1912 году.

Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади , Египет, между 1912 и 1913 годами. На станции Шумана использовались параболические желоба для питания двигателя мощностью 45-52 киловатт (60-70  л.с. ), который перекачивал из Нила более 22 000 литров воды в минуту. Река до прилегающих хлопковых полей. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах препятствовали развитию солнечной энергии, видение и базовая конструкция Шумана были возрождены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. [15] В 1916 году СМИ процитировали Шумана, выступающего за использование солнечной энергии, и он сказал:

Мы доказали коммерческую выгоду солнечной энергии в тропиках и, в частности, доказали, что после того, как наши запасы нефти и угля исчерпаны, человечество может получать неограниченную энергию от солнечных лучей.

-  Фрэнк Шуман, New York Times, 2 июля 1916 г. [16]

Коммерческие заводы [ править ]

Массив параболических желобов.
Основная статья: Список солнечных тепловых электростанций

Коммерческие установки, использующие параболические желоба, могут использовать накопление тепла в ночное время, в то время как некоторые из них являются гибридами и поддерживают природный газ в качестве вторичного источника топлива. В Соединенных Штатах количество ископаемого топлива, используемого для того, чтобы электростанция считалась возобновляемым источником энергии, ограничивается максимум 27% производства электроэнергии. [ необходима цитата ] Поскольку они включают охлаждающие станции, конденсаторы , аккумуляторы и другие вещи, помимо реальных солнечных коллекторов, мощность, вырабатываемая на квадратный метр площади, сильно различается. [ необходима цитата ]

По состоянию на 2014 год, крупнейшие солнечные тепловые энергосистемы, использующие технологию параболического желоба, включают электростанции SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, электростанцию Solana мощностью 280 МВт с накоплением тепла на расплавленной соли , проект солнечной энергии Genesis мощностью 250 МВт, солнечную электростанцию ​​Solaben мощностью 200 МВт в Испании. Станция, и солнечная электростанция Andasol 1 . [1] [2]

См. Также [ править ]

  • Парабола
  • Параболический отражатель
  • Солнечная плита
  • Список солнечных тепловых электростанций

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b NREL.gov Концентрация проектов солнечной энергетики в США , 17 февраля 2014 г.
  2. ^ a b NREL-gov Проекты по концентрации солнечной энергии в Испании , 17 февраля 2014 г.
  3. ^ Чавес, Хулио (2015). Введение в оптику без изображений, второе издание . CRC Press . ISBN 978-1-4822-0673-9.
  4. ^ Roland Winstonдр. ,, Nonimaging Оптика , Academic Press, 2004 ISBN 978-0-12-759751-5 
  5. ^ Диого Канаварро и др., Новые концентраторы второй ступени (XX SMS) для параболических основных цветов ; Сравнение с традиционными концентраторами параболического желоба , Solar Energy 92 (2013) 98–105
  6. ^ Диого Канаварро и др., Бесконечно малое время действия и концентраторы одновременной работы с несколькими поверхностями (SMS) для фиксированных приемных лотков , Solar Energy 97 (2013) 493–504
  7. ^ «Температура трубки абсорбера» . abengoasolar.es . Архивировано из оригинала на 2009-08-01.
  8. ^ Patel99 Глава 9
  9. ↑ Сын, Британская Колумбия (1 января 1978 г.). «Анализ плоского зеркала V-образного солнечного концентратора». Кандидат наук. Диссертация . Bibcode : 1978PhDT ....... 157S - через NASA ADS.
  10. ^ Гарри Турнемиль. «Отмеченные наградами солнечные отражатели снизят производственные затраты» . www.energyboom.com . Проверено 25 ноября 2009 .
  11. ^ a b Deloitte Touche Tohmatsu Ltd, «Прогнозы энергетики и ресурсов 2012» , 2 ноября 2011 г.
  12. ^ Helman, Кристофер, "Нефть от солнца" , "Forbes", 25 апреля 2011 г.
  13. ↑ Goossens, Ehren, «Chevron использует солнечно-термический пар для извлечения нефти в Калифорнии» , «Bloomberg», 3 октября 2011 г.
  14. ^ "GlassPojnt объявляет о проекте Belridge Solar" .
  15. ^ Смит, Захари Олден; Тейлор, Катрина Д. (2008). Возобновляемые и альтернативные источники энергии: Справочник . ABC-CLIO . п. 174 . ISBN 978-1-59884-089-6.
  16. ^ Американский изобретатель использует солнце Египта для получения энергии; Устройство концентрирует тепловые лучи и производит пар, который можно использовать для привода ирригационных насосов в жарком климате , The New York Times , 2 июля 1916 года.

Библиография [ править ]

  • Даффи, Джон; Уильямс Бекман (1991). Солнечная инженерия тепловых процессов (Второе изд.). Нью-Йорк: ISBN John Wiley & Sons, Inc. 0-471-51056-4.
  • Пател., Мукунд (1999). Системы ветровой и солнечной энергии . Бока-Ратон Лондон Нью-Йорк Вашингтон, округ Колумбия: CRC Press. ISBN 0-8493-1605-7.

Внешние ссылки [ править ]

  • Солнечные электростанции Kramer Junction , спутниковый снимок, Google Map.
  • ParabolaTool - Инструмент для расчета формы параболического желоба