Ηλιακοί συγκεντρωτές
Βασικά, οι ηλιακοί συγκεντρωτές διαφέρουν πολύ από φωτοβολταϊκών μετατροπέων… Επιπλέον, οι ηλιακοί σταθμοί θερμικού τύπου είναι πολύ πιο αποδοτικοί από τα φωτοβολταϊκά λόγω μιας σειράς χαρακτηριστικών.
Το καθήκον του ηλιακού συμπυκνωτή είναι να εστιάσει τις ακτίνες του ήλιου σε ένα δοχείο ψυκτικού υγρού, το οποίο μπορεί να είναι για παράδειγμα λάδι ή νερό, τα οποία είναι καλά στην απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας. Οι μέθοδοι συγκέντρωσης είναι διαφορετικές: παραβολικοί κυλινδρικοί συγκεντρωτές, παραβολικοί καθρέφτες ή ηλιοκεντρικοί πύργοι.
Σε ορισμένους συγκεντρωτές, η ηλιακή ακτινοβολία εστιάζεται κατά μήκος της εστιακής γραμμής, σε άλλους - στο εστιακό σημείο όπου βρίσκεται ο δέκτης. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία αντανακλάται από μια μεγαλύτερη επιφάνεια σε μια μικρότερη επιφάνεια (την επιφάνεια του δέκτη), επιτυγχάνεται υψηλή θερμοκρασία, το ψυκτικό απορροφά τη θερμότητα, κινούμενος μέσω του δέκτη. Το σύστημα στο σύνολό του περιέχει επίσης ένα τμήμα αποθήκευσης και ένα σύστημα μεταφοράς ενέργειας.
Η απόδοση των συγκεντρωτών μειώνεται σημαντικά σε περιόδους συννεφιά, καθώς εστιάζεται μόνο η άμεση ηλιακή ακτινοβολία.Για το λόγο αυτό, αυτά τα συστήματα επιτυγχάνουν την υψηλότερη απόδοση σε περιοχές όπου το επίπεδο ηλιοφάνειας είναι ιδιαίτερα υψηλό: στις ερήμους, στην περιοχή του ισημερινού. Προκειμένου να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα της χρήσης της ηλιακής ακτινοβολίας, οι συγκεντρωτές είναι εξοπλισμένοι με ειδικούς ιχνηλάτες, συστήματα παρακολούθησης που εξασφαλίζουν τον πιο ακριβή προσανατολισμό των συγκεντρωτών προς την κατεύθυνση του ήλιου.
Επειδή το κόστος των ηλιακών συγκεντρωτών είναι υψηλό και τα συστήματα παρακολούθησης απαιτούν περιοδική συντήρηση, η χρήση τους περιορίζεται κυρίως στα βιομηχανικά συστήματα παραγωγής ενέργειας.
Τέτοιες εγκαταστάσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υβριδικά συστήματα μαζί, για παράδειγμα, με καύσιμα υδρογονανθράκων, τότε το σύστημα αποθήκευσης θα μειώσει το κόστος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό θα γίνει εφικτό καθώς η γενιά θα γίνεται όλο το εικοσιτετράωρο.
Οι ηλιακοί συγκεντρωτές παραβολικών σωλήνων έχουν μήκος έως και 50 μέτρα, που μοιάζουν με επιμήκη παραβολή καθρέφτη. Ένας τέτοιος συμπυκνωτής αποτελείται από ένα σύνολο κοίλων κατόπτρων, καθένας από τους οποίους συλλέγει παράλληλες ακτίνες του ήλιου και τις εστιάζει σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Κατά μήκος μιας τέτοιας παραβολής, βρίσκεται ένας σωλήνας με ένα ψυκτικό υγρό, έτσι ώστε όλες οι ακτίνες που αντανακλώνται από τους καθρέφτες να εστιάζονται σε αυτόν. Για να μειωθεί η απώλεια θερμότητας, ο σωλήνας περιβάλλεται από έναν γυάλινο σωλήνα που εκτείνεται κατά μήκος της εστιακής γραμμής του κυλίνδρου.
Αυτοί οι κόμβοι είναι διατεταγμένοι σε σειρές με κατεύθυνση βορρά-νότου και είναι σίγουρα εξοπλισμένοι με συστήματα ηλιακής παρακολούθησης. Η ακτινοβολία που εστιάζεται στη γραμμή θερμαίνει το ψυκτικό σε σχεδόν 400 μοίρες, περνά μέσα από τους εναλλάκτες θερμότητας, παράγοντας ατμό που περιστρέφει τον στρόβιλο της γεννήτριας.
Για να είμαστε δίκαιοι, πρέπει να σημειωθεί ότι στη θέση του σωλήνα μπορεί επίσης να τοποθετηθεί ένα φωτοκύτταρο. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι τα μεγέθη του συγκεντρωτή μπορεί να είναι μικρότερα με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, αυτό είναι γεμάτο με μείωση της απόδοσης και το πρόβλημα της υπερθέρμανσης, το οποίο απαιτεί την ανάπτυξη ενός συστήματος ψύξης υψηλής ποιότητας.
Στην έρημο της Καλιφόρνια τη δεκαετία του 1980 κατασκευάστηκαν 9 μονάδες ηλεκτροπαραγωγής παραβολικών κυλινδρικών συγκεντρωτών συνολικής ισχύος 354 MW. Στη συνέχεια, η ίδια εταιρεία (Luz International) κατασκεύασε επίσης μια υβριδική εγκατάσταση SEGS I στο Deget, ισχύος 13,8 MW, η οποία περιελάμβανε επιπλέον φούρνους φυσικού αερίου. Γενικά, μέχρι το 1990, η εταιρεία είχε κατασκευάσει υβριδικούς σταθμούς συνολικής ισχύος 80 MW.
Η ανάπτυξη της παραγωγής ηλιακής ενέργειας σε παραβολικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής πραγματοποιείται στο Μαρόκο, το Μεξικό, την Αλγερία και άλλες αναπτυσσόμενες χώρες με χρηματοδότηση από την Παγκόσμια Τράπεζα.
Ως αποτέλεσμα, οι ειδικοί καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι σήμερα, οι παραβολικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής υστερούν τόσο από τους πύργους όσο και από τους ηλιακούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με δίσκο από άποψη κερδοφορίας και απόδοσης.
Ηλιακές εγκαταστάσεις δίσκων — αυτές είναι, όπως δορυφορικά πιάτα, παραβολικοί καθρέφτες που εστιάζουν τις ακτίνες του ήλιου σε έναν δέκτη που βρίσκεται στο επίκεντρο κάθε τέτοιου πιάτου. Ταυτόχρονα, η θερμοκρασία του ψυκτικού με αυτήν την τεχνολογία θέρμανσης φτάνει τους 1000 βαθμούς. Το ρευστό μεταφοράς θερμότητας τροφοδοτείται αμέσως σε μια γεννήτρια ή κινητήρα που συνδυάζεται με έναν δέκτη. Εδώ, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται κινητήρες Stirling και Brighton, οι οποίοι μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την απόδοση τέτοιων συστημάτων, αφού η οπτική απόδοση είναι υψηλή και το αρχικό κόστος χαμηλό.
Το παγκόσμιο ρεκόρ απόδοσης μιας ηλιακής εγκατάστασης παραβολικών πιάτων είναι 29% θερμική προς ηλεκτρική απόδοση που επιτυγχάνεται με εγκατάσταση τύπου πιάτου σε συνδυασμό με κινητήρα Stirling στο Rancho Mirage.
Λόγω του αρθρωτού σχεδιασμού, τα ηλιακά συστήματα τύπου match είναι πολλά υποσχόμενα, σας επιτρέπουν να επιτύχετε εύκολα τα απαιτούμενα επίπεδα ισχύος τόσο για υβριδικούς χρήστες συνδεδεμένους σε δημόσια δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας όσο και για ανεξάρτητους. Ένα παράδειγμα είναι το έργο STEP, το οποίο αποτελείται από 114 παραβολικούς καθρέφτες με διάμετρο 7 μέτρων που βρίσκονται στην πολιτεία της Τζόρτζια.
Το σύστημα παράγει ατμό μέσης, χαμηλής και υψηλής πίεσης. Ο ατμός χαμηλής πίεσης παρέχεται στο σύστημα κλιματισμού του εργοστασίου πλεξίματος, ο ατμός μέσης πίεσης παρέχεται στην ίδια τη βιομηχανία πλεξίματος και ο ατμός υψηλής πίεσης παρέχεται απευθείας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Φυσικά, οι συγκεντρωτές ηλιακών δίσκων σε συνδυασμό με κινητήρα Stirling ενδιαφέρουν τους ιδιοκτήτες μεγάλων ενεργειακών εταιρειών. Έτσι, η Science Applications International Corporation, σε συνεργασία με τρεις εταιρείες ενέργειας, αναπτύσσει ένα σύστημα που χρησιμοποιεί κινητήρα Stirling και παραβολικούς καθρέφτες που θα μπορούν να παράγουν 25 kW ηλεκτρικής ενέργειας.
Σε ηλιακούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής τύπου πύργου με κεντρικό δέκτη, η ηλιακή ακτινοβολία εστιάζεται στον δέκτη, ο οποίος βρίσκεται στην κορυφή του πύργου…. Γύρω από τους πύργους τοποθετείται μεγάλος αριθμός ανακλαστήρων-ηλιοστατών... Οι ηλιοστάτες είναι εξοπλισμένοι με σύστημα παρακολούθησης του ήλιου δύο αξόνων, χάρη στο οποίο γυρίζουν πάντα έτσι ώστε οι ακτίνες να είναι ακίνητες, συγκεντρωμένες στον δέκτη θερμότητας.
Ο δέκτης απορροφά θερμική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια περιστρέφει τον στρόβιλο της γεννήτριας.
Το υγρό ψυκτικό που κυκλοφορεί στον δέκτη μεταφέρει τον ατμό στον συσσωρευτή θερμότητας. Συνήθως έργα είναι υδρατμοί με θερμοκρασία 550 μοίρες, αέρας και άλλες αέριες ουσίες με θερμοκρασία έως 1000 μοίρες, οργανικά υγρά με χαμηλό σημείο βρασμού - κάτω από 100 μοίρες, καθώς και υγρό μέταλλο - έως 800 μοίρες.
Ανάλογα με τον σκοπό του σταθμού, ο ατμός μπορεί να γυρίσει μια τουρμπίνα για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια ή να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε κάποιο είδος παραγωγής. Η θερμοκρασία στον δέκτη κυμαίνεται από 538 έως 1482 βαθμούς.
Ο πύργος ενέργειας Solar One στη Νότια Καλιφόρνια, ένας από τους πρώτους στο είδος του, παρήγαγε αρχικά ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός συστήματος ατμού-νερού που παρήγαγε 10 MW. Στη συνέχεια υποβλήθηκε σε εκσυγχρονισμό και ο βελτιωμένος δέκτης, που τώρα λειτουργεί με λιωμένα άλατα και το σύστημα αποθήκευσης θερμότητας, έγινε σημαντικά πιο αποτελεσματικός.
Αυτό οδήγησε σε μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία ηλιακών συμπυκνωτών για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής πύργων μπαταρίας: η ισχύς σε μια τέτοια μονάδα παραγωγής ενέργειας μπορεί να παραχθεί κατόπιν ζήτησης, καθώς το σύστημα αποθήκευσης θερμότητας μπορεί να αποθηκεύσει θερμότητα έως και 13 ώρες.
Η τεχνολογία λιωμένου αλατιού καθιστά δυνατή την αποθήκευση της ηλιακής θερμότητας στους 550 βαθμούς και η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί πλέον να παραχθεί οποιαδήποτε στιγμή της ημέρας και με οποιονδήποτε καιρό. Ο πύργος "Solar Two" με ισχύ 10 MW έχει γίνει ένα πρωτότυπο βιομηχανικών σταθμών παραγωγής ενέργειας αυτού του τύπου. Στο μέλλον — κατασκευή βιομηχανικών επιχειρήσεων ισχύος 30 έως 200 MW για μεγάλες βιομηχανικές επιχειρήσεις.
Οι προοπτικές είναι κολοσσιαίες, αλλά η ανάπτυξη παρεμποδίζεται από την ανάγκη για μεγάλες εκτάσεις και το σημαντικό κόστος κατασκευής πύργων σταθμών σε βιομηχανική κλίμακα. Για παράδειγμα, για να τοποθετηθεί ένας σταθμός πύργου 100 μεγαβάτ απαιτούνται 200 εκτάρια, ενώ ένας πυρηνικός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ικανός να παράγει 1.000 μεγαβάτ ηλεκτρική ενέργεια απαιτεί μόνο 50 εκτάρια. Οι παραβολικοί-κυλινδρικοί σταθμοί (αρθρωτού τύπου) για μικρές χωρητικότητες, από την άλλη πλευρά, είναι πιο αποδοτικοί από τους πύργους.
Έτσι, οι συγκεντρωτές πύργων και παραβολικών γούρνων είναι κατάλληλοι για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής από 30 MW έως 200 MW που είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Οι αρθρωτοί διανομείς δίσκων είναι κατάλληλοι για αυτόνομη τροφοδοσία δικτύων που απαιτούν μόνο λίγα μεγαβάτ. Και τα δύο συστήματα πύργων και πλακών είναι ακριβά στην κατασκευή αλλά παρέχουν πολύ υψηλή απόδοση.
Όπως μπορείτε να δείτε, οι παραβολικοί συμπυκνωτές κατέχουν τη βέλτιστη θέση ως η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνολογία ηλιακών συμπυκνωτών για τα επόμενα χρόνια.
Διαβάστε επίσης για αυτό το θέμα: Ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας στον κόσμο