Солнечная тепловая энергия - Solar thermal energy

Монтируемый на крыше моноблочный термосифон Солнечный водонагреватель.

Первые три блока Сольнова на переднем плане, с двумя башнями PS10 и PS20 солнечные электростанции в фоновом режиме.

Солнечная тепловая энергия (STE) - это форма энергии, а технологии для запряжения солнечная энергия чтобы генерировать тепловая энергия для использования в промышленность, а также в жилом и коммерческом секторах.

Солнечные тепловые коллекторы классифицируются в США Управление энергетической информации как низко-, средне- или высокотемпературные коллекторы. Низкотемпературные коллекторы обычно не покрываются глазурью и используются для обогрева бассейны или для обогрева вентиляционного воздуха. Среднетемпературные коллекторы также обычно представляют собой плоские пластины, но используются для нагрева воды или воздуха в жилых и коммерческих помещениях.

Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечный свет, используя зеркала или же линзы и обычно используются для удовлетворения потребностей в тепле до 300 ° C / давления 20 бар в промышленности, а также для производства электроэнергии. Две категории включают концентрированную солнечную тепловую энергию (CST) для удовлетворения потребностей в тепле в промышленности и концентрированную солнечную энергию (CSP), когда собранное тепло используется для производства электроэнергии. CST и CSP не подлежат замене с точки зрения применения.

Самые большие объекты расположены в американском Пустыня Мохаве Калифорнии и Невады. Эти заводы используют множество различных технологий. Самые большие примеры включают: Солнечная электростанция Иванпа (377 МВт), Системы производства солнечной энергии установка (354 МВт), и Crescent Dunes (110 МВт). Испания - еще один крупный разработчик солнечных тепловых электростанций. Самые большие примеры включают: Солнечная электростанция Сольнова (150 МВт), Солнечная электростанция Andasol (150 МВт), и Солнечная электростанция Extresol (100 МВт).

История

Огюстен Мушо продемонстрировали солнечный коллектор с охлаждающим двигателем для приготовления мороженого на 1878 Всемирная выставка в Париже.. Первая установка солнечного теплового энергетического оборудования произошла в г. Сахара примерно в 1910 г. Фрэнк Шуман когда паровой двигатель работал на паре, произведенном солнечным светом. Поскольку двигатели на жидком топливе были разработаны и сочтены более удобными, проект Sahara был заброшен, но через несколько десятилетий к нему вернулись.^[1]

Низкотемпературное отопление и охлаждение

Солнечный дом №1 Массачусетского технологического института, построенный в 1939 году, использовался сезонное хранение тепловой энергии (СТЭС) на круглогодичное отопление.

Системы использования низкотемпературной солнечной тепловой энергии включают средства сбора тепла; обычно хранение тепла, кратковременное или межсезонное; и распределение в пределах структуры или сети централизованного теплоснабжения. В некоторых случаях одна функция может выполнять несколько из этих функций (например, некоторые виды солнечных коллекторов также хранят тепло). Некоторые системы пассивны, другие активны (для работы требуется другая внешняя энергия).^[2]

Нагрев - наиболее очевидное применение, но солнечное охлаждение может быть достигнута для здания или для централизованного холодоснабжения с помощью поглощение или же адсорбционный чиллер (Тепловой насос). Существует продуктивное совпадение: чем больше тепла от солнечного света, тем выше мощность охлаждения. В 1878 г. Огюст Мушу впервые применил солнечное охлаждение, сделав лед с помощью солнечного парового двигателя, прикрепленного к холодильному устройству.^[3]

В Соединенных Штатах, обогрев, вентиляция, и кондиционер (HVAC ) на долю систем приходится более 25% (4,75 ЭДж) энергии, используемой в коммерческих зданиях (50% в северных городах), и почти половина (10,1 ЭДж) энергии, используемой в жилых зданиях.^[4][5] Солнечные технологии отопления, охлаждения и вентиляции могут использоваться для компенсации части этой энергии. Самая популярная технология солнечного отопления для отопления зданий - это интегрированное здание. просвечиваемая солнечная система сбора воздуха который подключается к оборудованию HVAC здания. По данным Ассоциации производителей солнечной энергии, более 500 000 м² (5 000 000 квадратных футов) этих панелей находятся в эксплуатации в Северной Америке по состоянию на 2015 год.

В Европе с середины 1990-х было построено около 125 крупных солнечных тепловых станций, каждая площадью более 500 м² (5400 футов²) солнечных коллекторов. Самые большие - около 10 000 м.², мощностью 7 МВт - тепловое и солнечное тепло стоит около 4 евроцентов / кВтч без субсидий.^[6]40 из них имеют номинальную мощность 1 МВт-тепловая и более. В программе централизованного солнечного отопления (SDH) участвуют представители 14 европейских стран и Европейская комиссия, и она направлена ​​на техническое и рыночное развитие, а также проводит ежегодные конференции.^[7]

Коллекторы низкотемпературные

Застекленные солнечные коллекторы предназначены в первую очередь для обогрева помещений. Они рециркулируют воздух в здании через солнечную панель, где воздух нагревается, а затем направляется обратно в здание. Эти системы солнечного отопления требуют как минимум двух проникновений в здание и работают только тогда, когда воздух в солнечном коллекторе теплее, чем температура в помещении в здании. Чаще всего остекленные коллекторы используются в жилом секторе.

Неглазурованный, «просвечиваемый» воздухосборник

Неглазурованные солнечные коллекторы в основном используются для предварительного нагрева воздуха для вентиляции в коммерческих, промышленных и общественных зданиях с высокой вентиляционной нагрузкой. Они превращают стены здания или части стен в недорогие, высокопроизводительные неглазурованные солнечные коллекторы. Также называется «просвечивающими солнечными панелями» илисолнечная стена ", в них используется окрашенный перфорированный металлический поглотитель солнечного тепла, который также служит внешней поверхностью стены здания. Передача тепла воздуху происходит на поверхности поглотителя, через металлический поглотитель и за поглотителем. Пограничный слой Воздух, нагретый солнечными батареями, втягивается в ближайшую перфорацию до того, как тепло может уйти за счет конвекции в наружный воздух. Затем нагретый воздух втягивается из-за пластины абсорбера в систему вентиляции здания.

• 

  Встроенный неглазурованный прозрачный солнечный воздушный коллектор с серыми стенами и белыми навесами / коллекторами

А Стена для тромба это пассивное солнечное отопление и вентиляция система состоящий из воздушного канала, зажатого между окном и обращенной к солнцу тепловой массой. Во время цикла вентиляции солнечный свет сохраняет тепло в тепловой массе и нагревает воздушный канал, вызывая обращение через вентиляционные отверстия вверху и внизу стены. Во время цикла нагрева стена Trombe излучает накопленное тепло.^[8]

Солнечные водоемы на крыше - это уникальные солнечные системы отопления и охлаждения, разработанные Гарольдом Хэем в 1960-х годах. Базовая система состоит из установленного на крыше водяного баллона с подвижной изолирующей крышкой. Эта система может контролировать теплообмен между внутренней и внешней средой, закрывая и открывая мочевой пузырь между ночью и днем. Когда нагревание вызывает беспокойство, мочевой пузырь днем ​​открыт, позволяя солнечному свету согревать водяной пузырь и сохранять тепло для использования вечером. Когда охлаждение вызывает беспокойство, закрытый мочевой пузырь в течение дня отбирает тепло из внутренних помещений здания и не закрывается ночью, чтобы излучать тепло в более прохладную атмосферу. В доме Skytherm в Атаскадеро, Калифорния, для обогрева и охлаждения используется прототипный пруд на крыше.^[9]

Солнечное отопление помещений с солнечное тепло воздуха коллекторы более популярны в США и Канаде, чем отопление с помощью солнечных жидкостных коллекторов, поскольку в большинстве зданий уже есть система вентиляции для отопления и охлаждения. Два основных типа солнечных панелей - застекленные и неглазурованные.

Из 21000000 квадратных футов (2000000 м²) солнечных тепловых коллекторов, произведенных в США в 2007 году, площадью 15000000 квадратных футов (1500000 м²).²) были низкотемпературной разновидности.^[10] Низкотемпературные коллекторы обычно устанавливаются для обогрева плавательных бассейнов, хотя их также можно использовать для обогрева помещений. Коллекторы могут использовать воздух или воду в качестве среды для передачи тепла по назначению.

Накопление тепла для отопления помещений

Коллекция зрелых технологий под названием сезонное хранение тепловой энергии (STES) может накапливать тепло в течение нескольких месяцев, поэтому солнечное тепло, собираемое в основном летом, можно использовать для круглогодичного отопления. Технология STES с питанием от солнечных батарей была продвинута в основном в Дании,^[11] Германия,^[12] и Канада,^[13] и приложения включают в себя отдельные здания и сети централизованного теплоснабжения. Солнечное сообщество Drake Landing в Альберте, Канада, есть небольшая районная система, и в 2012 году был достигнут мировой рекорд, обеспечивший 97% потребностей населения в отоплении помещений в течение всего года за счет солнца.^[14] Теплонакопители СТЭС включают глубокие водоносные горизонты; естественная порода, окружающая скопления скважин малого диаметра, оборудованных теплообменником; крупные неглубокие ямы с футеровкой, засыпанные гравием и утепленные сверху; а также большие изолированные и заглубленные резервуары для воды на поверхности.

Централизованный районное отопление круглосуточная работа также возможна с использованием аккумуляторов с концентрированным солнечным теплом (CST).^[15]

Межсезонное хранение. Солнечное тепло (или тепло из других источников) может эффективно сохраняться между разными сезонами в водоносные горизонты, подземные геологические пласты, большие специально построенные котлованы и большие резервуары, которые изолированы и засыпаны землей.

Кратковременное хранение. Тепловые массовые материалы накапливают солнечную энергию в течение дня и выделяют ее в более прохладные периоды. Обычные термальные массы включают камень, бетон и воду. Пропорция и размещение тепловой массы должны учитывать несколько факторов, таких как климат, дневное освещение и условия затенения. При правильном включении тепловая масса может пассивно поддерживать комфортную температуру, снижая при этом потребление энергии.

Солнечное охлаждение

К 2011 году во всем мире насчитывалось около 750 систем охлаждения с тепловыми насосами, работающими от солнечной энергии, а годовой рост рынка составлял от 40 до 70% по сравнению с предыдущими семью годами. Это нишевый рынок, потому что экономика сложна, а количество часов охлаждения в год является ограничивающим фактором. Соответственно, годовые часы охлаждения составляют примерно 1000 часов в Средиземноморье, 2500 часов в Юго-Восточной Азии и только 50–200 часов в Центральной Европе. Однако в период с 2007 по 2011 год затраты на строительство системы упали примерно на 50%. Международное энергетическое агентство (IEA) Целевые группы программы солнечного отопления и охлаждения (IEA-SHC) работают над дальнейшим развитием задействованных технологий.^[16]

Вентиляция на солнечном тепле

Солнечный дымоход (или тепловой дымоход) - это пассивная солнечная вентиляция. система состоит из полой термальной массы, соединяющей внутреннюю и внешнюю части здания. Когда дымоход нагревается, воздух внутри нагревается, вызывая восходящий поток который втягивает воздух через здание. Эти системы использовались со времен Римской империи и остаются распространенными на Ближнем Востоке.

Технологическое тепло

Солнечные пруды-испарители в Пустыня Атакама.

Солнечное технологическое отопление системы предназначены для обеспечения большого количества горячая вода или же отопление помещений для нежилых зданий.^[17]

Пруды-испарители - это неглубокие пруды, в которых растворенные твердые частицы концентрируются через испарение. Использование прудов-испарителей для получения соли из морской воды - одно из старейших применений солнечной энергии. Современные применения включают концентрирование солевых растворов, используемых при добыче выщелачивания, и удаление растворенных твердых частиц из потоков отходов. В целом, пруды-испарители представляют собой одно из крупнейших коммерческих приложений солнечной энергии, используемых сегодня.^[18]

Неглазурованные прозрачные коллекторы - это перфорированные обращенные к солнцу стены, используемые для предварительного нагрева вентиляционного воздуха. Коллекторы Transpired также могут быть установлены на крыше для круглогодичного использования и могут повышать температуру входящего воздуха до 22 ° C и обеспечивать температуру на выходе 45-60 ° C. Короткий срок окупаемости установленных коллекторов (от 3 до 12 лет) делает их более рентабельной альтернативой застекленным системам сбора. По состоянию на 2015 год более 4000 систем с общей площадью коллектора 500000 м² были установлены по всему миру. Представители включают 860 м² коллектор в Коста-Рике, используемый для сушки кофейных зерен и 1300 м² Коллекционер из Коимбатура, Индия, использовавший для сушки бархатцев.^[19][20]

На предприятии по переработке пищевых продуктов в Модесто, Калифорния, используются параболические желоба для производства пара, используемого в производственном процессе. 5,000 м² Ожидается, что коллекторная площадь обеспечит 15 ТДж в год.^[21]

Коллекторы среднетемпературные

Эти коллекторы могут использоваться для производства примерно 50% и более горячей воды, необходимой для бытового и коммерческого использования в Соединенных Штатах.^[22] В Соединенных Штатах типичная система стоит от 4000 до 6000 долларов в розницу (от 1400 до 2200 долларов оптом за материалы), и 30% системы имеют право на получение федерального налогового кредита + дополнительный государственный кредит существует примерно в половине штатов. Монтаж простой системы с открытым контуром в южном климате может занять 3-5 часов, а в северных регионах - 4-6 часов. Северная система требует большей площади коллектора и более сложной сантехники для защиты коллектора от замерзания. При таком стимуле срок окупаемости для типичного домохозяйства составляет от четырех до девяти лет, в зависимости от штата. Подобные субсидии существуют в некоторых частях Европы. Бригада из одного сантехника и двух помощников с минимальной подготовкой может установить систему в день. Установка термосифона требует незначительных затрат на техническое обслуживание (расходы возрастают, если для циркуляции используются антифриз и электрическая сеть), а в США эксплуатационные расходы домохозяйств сокращаются на 6 долларов на человека в месяц. Солнечное нагревание воды может снизить выбросы CO₂ выбросы семьи из четырех человек на 1 тонну в год (при замене природного газа) или 3 тонны в год (при замене электроэнергии).^[23] Среднетемпературные установки могут использовать любую из нескольких конструкций: обычные конструкции - это гликоль под давлением, обратный дренаж, периодические системы и более новые устойчивые к замерзанию системы низкого давления, использующие полимерные трубы, содержащие воду, с фотоэлектрической перекачкой. Европейские и международные стандарты пересматриваются с учетом нововведений в конструкции и эксплуатации среднетемпературных коллекторов. Операционные инновации включают в себя операцию «постоянно увлажняемого коллектора». Это нововведение снижает или даже устраняет возникновение непроточных высокотемпературных напряжений, называемых застоем, которые в противном случае уменьшили бы ожидаемый срок службы коллекторов.

Солнечная сушка

Солнечная тепловая энергия может быть полезна для сушки древесины для строительства и древесного топлива, такого как щепа для сжигания. Солнечная энергия также используется для пищевых продуктов, таких как фрукты, зерно и рыба. Сушка урожая с помощью солнечной энергии является экологически чистой, а также рентабельной при улучшении качества. Чем меньше денег уходит на производство продукта, тем меньше его можно продать, что приятно как покупателям, так и продавцам. Технологии солнечной сушки включают сверхдорогие коллекторы с перекачиваемыми пластинами на основе черной ткани. Солнечная тепловая энергия полезна в процессе сушки таких продуктов, как древесная щепа и другие формы биомассы, за счет повышения температуры, позволяя воздуху проходить и избавляться от влаги.^[24]

Готовка

Солнечная чаша над солнечной кухней в Ауровиле, Индия, концентрирует солнечный свет на подвижном приемнике для производства пара для приготовления пищи.

Солнечные плиты используют солнечный свет для приготовления, сушки и пастеризация. Приготовление пищи на солнечных батареях компенсирует расходы на топливо, снижает потребность в топливе или дровах и улучшает качество воздуха за счет уменьшения или удаления источника дыма.

Самый простой тип солнечной плиты - это коробчатая плита, впервые построенная Гораций де Соссюр в 1767 году. Базовая коробчатая плита состоит из изолированного контейнера с прозрачной крышкой. Эти плиты можно эффективно использовать при частично пасмурной погоде, и обычно они достигают температуры 50–100 ° C.^[25][26]

Концентрационные солнечные плиты используют отражатели, чтобы сконцентрировать солнечную энергию на емкости для приготовления пищи. Чаще всего используются отражатели с плоской пластиной, диском и параболическим желобом. Эти конструкции готовятся быстрее и при более высоких температурах (до 350 ° C), но для правильного функционирования требуется прямой свет.

Солнечная кухня в Ауровиль, Индия использует уникальную технологию концентрирования, известную как солнечная чаша. В отличие от традиционных систем слежения за отражателем / фиксированным приемником, в солнечной чаше используется фиксированный сферический отражатель с приемником, который отслеживает фокус света при движении Солнца по небу. Приемник солнечной чаши достигает температуры 150 ° C, которая используется для производства пара, который помогает готовить 2000 блюд в день.^[27]

Многие другие солнечные кухни в Индии используют другую уникальную концентрирующую технологию, известную как отражатель Шеффлера. Эта технология была впервые разработана Вольфганг Шеффлер в 1986 году. Отражатель Шеффлера представляет собой параболическую тарелку, в которой используется одноосное слежение за суточным курсом Солнца. Эти отражатели имеют гибкую отражающую поверхность, которая может изменять свою кривизну в зависимости от сезонных изменений угла падения солнечного света. Отражатели Шеффлера имеют то преимущество, что они имеют фиксированную точку фокусировки, которая упрощает приготовление пищи и позволяет достигать температуры 450-650 ° C.^[28] Построен в 1999 г. Брахма Кумарис, самая большая в мире рефлекторная система Scheffler на Абу-роуд, Раджастан, Индия, способна готовить до 35 000 блюд в день.^[29] К началу 2008 года по всему миру было построено более 2000 больших плит конструкции Scheffler.

Дистилляция

Солнечные установки можно использовать для производства питьевой воды в районах, где чистая вода не является обычным явлением. В таких ситуациях необходима солнечная дистилляция, чтобы обеспечить людей очищенной водой. Солнечная энергия нагревает воду в неподвижном состоянии. Затем вода испаряется и конденсируется на дне покровного стекла.^[24]

Коллекторы высокотемпературные

Часть 354 МВт SEGS солнечный комплекс на севере Округ Сан-Бернардино, Калифорния.

В солнечная печь в Одейо на французском Восточные Пиренеи может достигать температуры до 3500 ° C.

Если температура ниже примерно 95 ° C является достаточной, как для отопления помещений, обычно используются плоские коллекторы неконцентрирующего типа. Из-за относительно высоких потерь тепла через остекление, плоские коллекторы не достигают температуры намного выше 200 ° C, даже когда теплоноситель застаивается. Такие температуры слишком низкие для эффективное преобразование к электричеству.

Эффективность тепловые двигатели увеличивается с увеличением температуры источника тепла. Чтобы добиться этого на солнечных тепловых электростанциях, солнечная радиация концентрируется зеркалами или линзами для получения более высоких температур - метод, называемый Концентрированная солнечная энергия (CSP). Практический эффект высокой эффективности заключается в уменьшении размера коллектора станции и общего землепользования на единицу произведенной энергии, снижения воздействия электростанции на окружающую среду, а также ее затрат.

С повышением температуры становятся доступными различные формы преобразования. До 600 ° C, паровые турбины, стандартная технология, имеют КПД до 41%. Выше 600 ° C, газовые турбины может быть более эффективным. Более высокие температуры проблематичны, потому что требуются другие материалы и методы. Одно из предложений для очень высоких температур состоит в использовании жидких фторидных солей, работающих в диапазоне от 700 ° C до 800 ° C, с использованием многоступенчатых турбинных систем для достижения 50% или более теплового КПД.^[30] Выше рабочие температуры позволяют предприятию использовать сухие теплообменники с более высокими температурами для его теплового выхлопа, уменьшая потребление воды установкой, что крайне важно в пустынях, где практичны крупные солнечные электростанции. Высокие температуры также повышают эффективность аккумулирования тепла, поскольку на единицу жидкости хранится больше ватт-часов.

Коммерческие концентрирующие солнечные тепловые электростанции (CSP) были впервые разработаны в 1980-х годах. Сейчас мощность крупнейших солнечных тепловых электростанций в мире составляет 370 МВт. Солнечная электростанция Иванпа, введена в эксплуатацию в 2014 г., и 354 МВт SEGS Установка CSP, обе расположены в Пустыня Мохаве Калифорнии, где несколько другие солнечные проекты были реализованы, за исключением Солнечная электростанция Шамс, построена в 2013 г. в районе г. Абу Даби, Объединенные Арабские Эмираты, все остальные Установки CSP мощностью 100 МВт или более находятся либо в США, либо в Испании.

Основным преимуществом CSP является возможность эффективного добавления аккумуляторов тепла, что позволяет отправлять электроэнергию в течение 24-часового периода. Поскольку пиковая потребность в электроэнергии обычно приходится на период с 16 до 20 часов,^[31] многие электростанции CSP используют от 3 до 5 часов хранения тепла. При современных технологиях хранение тепла намного дешевле и эффективнее, чем хранение электроэнергии. Таким образом, завод CSP может производить электроэнергию днем ​​и ночью. Если объект CSP имеет предсказуемую солнечную радиацию, то установка CSP становится надежной электростанцией. Надежность можно дополнительно повысить, установив резервную систему сгорания. Система резервного копирования может использовать большую часть оборудования CSP, что снижает стоимость системы резервного копирования.

На объектах CSP используются материалы с высокой электропроводностью, такие как медь, в полевая мощность кабели, заземляющие сети и моторы для отслеживания и перекачки жидкостей, а также в основном генераторе и высокое напряжение трансформаторы. (Видеть: Медь в обогатительных объектах солнечной тепловой энергетики.)

Учитывая надежность, неиспользуемую пустыню, отсутствие загрязнения и отсутствие затрат на топливо, препятствиями для широкого развертывания CSP являются стоимость, эстетика, землепользование и аналогичные факторы для необходимых соединительных линий высокого напряжения. Хотя для удовлетворения глобального спроса на электроэнергию требуется лишь небольшой процент пустыни, все же большая территория должна быть покрыта зеркалами или линзами для получения значительного количества энергии. Важный способ снизить стоимость - использование простой конструкции.

При рассмотрении воздействия землепользования, связанного с разведкой и добычей, вплоть до транспортировки и преобразования ископаемое топливо, которые используются для большей части нашей электроэнергии, солнечная энергия для коммунальных предприятий считается одним из наиболее эффективных с точки зрения использования земли энергоресурсов:^[32]

Федеральное правительство выделило почти в 2000 раз больше площадей под аренду нефти и газа, чем под солнечную энергетику. В 2010 г. Бюро землеустройства утвердил девять крупномасштабных солнечных проектов с общей генерирующей мощностью 3682 мегаватт, что составляет около 40 000 акров. Напротив, в 2010 году Бюро по управлению земельными ресурсами обработало более 5 200 заявок на аренду газа и нефти и выдало 1 308 договоров аренды на общую площадь 3,2 миллиона акров. В настоящее время 38,2 миллиона акров наземных государственных земель и еще 36,9 миллиона акров морских разведочных работ в Мексиканском заливе находятся в аренде для разработки, разведки и добычи нефти и газа.^[32]

Системные конструкции

Днем солнце занимает разные позиции. Для систем с низкой концентрацией (и низкими температурами) отслеживания можно избежать (или ограничить несколько позиций в год), если не отображающая оптика используются.^[33][34] Однако при более высоких концентрациях, если зеркала или линзы не двигаются, фокус зеркал или линз изменяется. Требуется система слежения за положением солнца. Система отслеживания увеличивает стоимость и сложность. Имея это в виду, можно различать различные конструкции по тому, как они концентрируют свет и отслеживают положение солнца.

Конструкции параболического желоба

Эскиз конструкции параболического желоба. Изменение положения солнца параллельно ствольной коробке не требует регулировки зеркал.

Параболический желоб В электростанциях используется изогнутый зеркальный желоб, который отражает прямое солнечное излучение на стеклянную трубку, содержащую жидкость (также называемую приемником, поглотителем или коллектором), проходящую по всей длине желоба, расположенную в фокусной точке отражателей. Желоб параболический по одной оси и линейный по ортогональной оси. Для изменения суточного положения солнца перпендикуляр к приемнику желоб наклоняется с востока на запад, так что прямое излучение остается сфокусированным на приемнике. Однако сезонные изменения угла падения солнечного света параллельно к желобу не требует регулировки зеркал, так как свет просто концентрируется в другом месте приемника. Таким образом, конструкция желоба не требует отслеживания по второй оси. Ресивер может быть заключен в стеклянную вакуумную камеру. Вакуум значительно снижает конвективные потери тепла.

Жидкость (также называемая теплоносителем) проходит через ресивер и становится очень горячей. Обычные жидкости - это синтетическое масло, расплавленная соль и сжатый пар. Жидкость, содержащая тепло, транспортируется в Тепловой двигатель где около трети тепла преобразуется в электричество.

Полномасштабные системы параболических желобов состоят из множества таких желобов, расположенных параллельно на большой площади суши. С 1985 года солнечная тепловая система, использующая этот принцип, полностью работает в Калифорния в Соединенные Штаты. Это называется Системы производства солнечной энергии (SEGS) система.^[35] Другим конструкциям CSP не хватает такого длительного опыта, и поэтому в настоящее время можно сказать, что конструкция параболического желоба является наиболее тщательно проверенной технологией CSP.

SEGS представляет собой совокупность девяти электростанций общей мощностью 354 МВт, и на протяжении многих лет она является крупнейшей в мире солнечной электростанцией, как тепловой, так и нетепловой. Более новый завод Невада Solar One завод мощностью 64 МВт. 150 МВт Солнечные электростанции Andasol находятся в Испании, каждая из которых имеет мощность 50 МВт. Однако обратите внимание, что эти установки имеют теплоаккумулятор, что требует большего поля солнечных коллекторов по сравнению с размером паровой турбины-генератора для одновременного хранения тепла и передачи тепла в паровую турбину. Накопление тепла позволяет лучше использовать паровую турбину. При дневной и некоторой ночной работе паровая турбина Andasol 1 при пиковой мощности 50 МВт производит больше энергии, чем Nevada Solar One при пиковой мощности 64 МВт, из-за системы хранения тепловой энергии бывшего завода и большего солнечного поля. 280 МВт Электростанция Солана был запущен в Аризоне в 2013 году с 6 часами автономной работы. Интегрированная солнечная электростанция комбинированного цикла Hassi R'Mel в Алжире и Центр солнечной энергии Martin Next Generation оба используют параболические желоба в комбинированном цикле с природным газом.

Закрытый желоб

Внутри закрытой системы желобов

Закрытая конструкция желоба инкапсулирует солнечную тепловую систему внутри теплицы. Теплица создает защищенную среду, способную противостоять элементам, которые могут отрицательно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы.^[36]

Легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечные лучи, подвешены внутри конструкции теплицы. А одноосная система слежения размещает зеркала так, чтобы отслеживать солнце и фокусировать его свет на сеть стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы.^[37] Пар генерируется напрямую с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода течет от входа по всей 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. Укрытие зеркал от ветра позволяет им достичь более высоких температур и предотвращает накопление пыли в результате воздействия влажности.^[36] 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 за другие традиционные солнечные тепловые технологии.^[38]

Закрытая система желоба GlassPoint использовалась на Miraah объект в Оман, и недавно было объявлено о новом проекте компании по внедрению технологии закрытых лотков в Нефтяное месторождение Южный Белридж, возле Бейкерсфилд, Калифорния.^[39]

Конструкции силовых башен

Солнечная электрическая генерирующая система Ivanpah со всеми тремя башнями под нагрузкой, февраль 2014 г. Снято с I-15 в г. Округ Сан-Бернардино, Калифорния. В Clark Mountain Range видно вдалеке.

Башни силы (также известные как электростанции "центральной башни" илигелиостат 'электростанции) улавливают и фокусируют тепловую энергию солнца с помощью тысяч отслеживающих зеркал (называемых гелиостатами) на площади примерно в две квадратные мили. В центре поля гелиостата находится башня. Гелиостаты фокусируют концентрированный солнечный свет на приемнике, который находится наверху башни. Внутри приемника концентрированный солнечный свет нагревает расплавленную соль до более чем 1000 ° F (538 ° C). Затем нагретая расплавленная соль поступает в резервуар для хранения тепла, где она хранится, поддерживая тепловой КПД 98%, и в конечном итоге перекачивается в парогенератор. Пар приводит в движение стандартную турбину для выработки электроэнергии. Этот процесс, также известный как «цикл Ренкина», похож на стандартную угольную электростанцию, за исключением того, что он работает на чистой и бесплатной солнечной энергии.

Преимущество этой конструкции перед конструкцией параболического желоба - более высокая температура. Тепловую энергию при более высоких температурах можно более эффективно преобразовать в электричество и с меньшими затратами сохранить для дальнейшего использования. Кроме того, уменьшается потребность в выравнивании земли. В принципе, силовую башню можно построить на склоне холма. Зеркала могут быть плоскими, а сантехника сосредоточена в башне. Недостатком является то, что каждое зеркало должно иметь собственное двухосное управление, в то время как в конструкции параболического желоба отслеживание одной оси может использоваться совместно для большого массива зеркал.

NREL провело сравнение затрат и производительности между силовыми башнями и концентраторами с параболическим желобом, которое подсчитало, что к 2020 году электричество можно будет вырабатывать из силовых башен по 5,47 ц / кВтч и 6,21 ц / кВтч из параболических желобов. В коэффициент мощности для опор питания было оценено 72,9% и 56,2% для параболических желобов.^[40] Есть некоторая надежда на то, что разработка дешевых, долговечных, производимых в массовом порядке компонентов гелиостатных электростанций может снизить эту стоимость.^[41]

Первая коммерческая башенная электростанция была PS10 в Испании мощностью 11 МВт, завершено в 2007 году. С тех пор было предложено несколько станций, несколько из них были построены в ряде стран (Испания, Германия, США, Турция, Китай, Индия), но несколько предлагаемых станций были отменен, поскольку цены на фотоэлектрические солнечные батареи резко упали. В 2016 году в Южной Африке была запущена солнечная электростанция.^[42] Солнечная электростанция Иванпа в Калифорнии вырабатывает 392 МВт электроэнергии от трех башен, что делает его крупнейшей солнечной электростанцией на башне, когда она была введена в эксплуатацию в конце 2013 года.

Дизайн посуды

Параболическая солнечная тарелка, концентрирующая солнечные лучи на нагревательном элементе двигатель Стирлинга. Вся установка действует как солнечный трекер.

Известно, что CSP-Stirling обладает наивысшим КПД среди всех солнечных технологий (около 30% по сравнению с примерно 15% солнечной фотоэлектрической) и, по прогнозам, сможет производить самую дешевую энергию среди всех возобновляемых источников энергии в крупномасштабном производстве и производстве. жаркие районы, полупустыни и др.^{[нужна цитата ]} А блюдо Стирлинг система использует большой, отражающий, параболический тарелка (по форме похожа на тарелку спутникового телевидения). Он фокусирует весь солнечный свет, падающий на тарелку, в одну точку над тарелкой, где приемник улавливает тепло и преобразует его в полезную форму. Обычно блюдо сочетается с двигатель Стирлинга в системе Блюдо-Стирлинга, но также иногда паровой двигатель используется.^[43] Они создают вращательную кинетическую энергию, которая может быть преобразована в электричество с помощью электрического генератора.^[44]

В 2005 году Южная Калифорния Эдисон объявили о соглашении о покупке двигателей Стирлинга на солнечных батареях у Энергетические системы Стирлинга в течение двадцати лет и в количествах (20 000 единиц), достаточных для выработки 500 мегаватт электроэнергии. В январе 2010 года Stirling Energy Systems и Tessera Solar ввели в эксплуатацию первую демонстрационную 1,5-мегаваттную электростанцию ​​(«Maricopa Solar»), использующую технологию Стирлинга, в Пеории, штат Аризона.^[45] В начале 2011 года подразделение разработки Stirling Energy, Tessera Solar, продало два своих крупных проекта, проект Imperial мощностью 709 МВт и проект Calico мощностью 850 МВт, компаниям AES Solar и K.Road, соответственно.^[46][47] В 2012 году завод Maricopa был куплен и демонтирован компанией United Sun Systems.^[48] Выпущена United Sun Systems система нового поколения, основан на V-образном двигателе Стирлинга и максимальной мощности 33 кВт. Новая технология CSP-Стирлинга снижает LCOE до 0,02 доллара США в шкале коммунальных услуг.^{[нужна цитата ]}

По словам его разработчика, Риспассо Энергия, шведская фирма, в 2015 году ее система Dish Sterling тестировалась в Пустыня Калахари в Южной Африке показал КПД 34%.^[49]

Технологии Френеля

Отражатель Френеля

Линейный Отражатель Френеля Электростанция использует серию длинных, узких, неглубоких (или даже плоских) зеркал для фокусировки света на один или несколько линейных приемников, расположенных над зеркалами. Сверху приемника можно прикрепить небольшое параболическое зеркало для дальнейшей фокусировки света. These systems aim to offer lower overall costs by sharing a receiver between several mirrors (as compared with trough and dish concepts), while still using the simple line-focus geometry with one axis for tracking. This is similar to the trough design (and different from central towers and dishes with dual-axis). The receiver is stationary and so fluid couplings are not required (as in troughs and dishes). The mirrors also do not need to support the receiver, so they are structurally simpler. When suitable aiming strategies are used (mirrors aimed at different receivers at different times of day), this can allow a denser packing of mirrors on available land area.

Rival single axis tracking technologies include the relatively new linear Fresnel reflector (LFR) and compact-LFR (CLFR) technologies. The LFR differs from that of the parabolic trough in that the absorber is fixed in space above the mirror field. Also, the reflector is composed of many low row segments, which focus collectively on an elevated long tower receiver running parallel to the reflector rotational axis.^[50]

Prototypes of Линза Френеля concentrators have been produced for the collection of thermal energy by International Automated Systems.^[51] No full-scale thermal systems using Fresnel lenses are known to be in operation, although products incorporating Fresnel lenses in conjunction with photovoltaic cells are already available.^[52]

MicroCSP

MicroCSP is used for community-sized power plants (1 MW to 50 MW), for industrial, agricultural and manufacturing 'process heat' applications, and when large amounts of hot water are needed, such as resort swimming pools, water parks, large laundry facilities, sterilization, distillation and other such uses.

Enclosed parabolic trough

The enclosed parabolic trough solar thermal system encapsulates the components within an off-the-shelf greenhouse type of glasshouse. The glasshouse protects the components from the elements that can negatively impact system reliability and efficiency. This protection importantly includes nightly glass-roof washing with optimized water-efficient off-the-shelf automated washing systems.^[36] Lightweight curved solar-reflecting mirrors are suspended from the ceiling of the glasshouse by wires. А single-axis tracking system positions the mirrors to retrieve the optimal amount of sunlight. The mirrors concentrate the sunlight and focus it on a network of stationary steel pipes, also suspended from the glasshouse structure.^[37] Water is pumped through the pipes and boiled to generate steam when intense sun radiation is applied. The steam is available for process heat. Sheltering the mirrors from the wind allows them to achieve higher temperature rates and prevents dust from building up on the mirrors as a result from exposure to humidity.^[36]

Heat collection and exchange

More energy is contained in higher frequency light based upon the formula of ${ Displaystyle Е = ч ню}$, where h is the Постоянная Планка и ${ displaystyle nu}$ это частота. Metal collectors down convert higher frequency light by producing a series of Compton shifts into an abundance of lower frequency light. Glass or ceramic coatings with high transmission in the visible and UV and effective absorption in the IR (heat blocking) trap metal absorbed low frequency light from radiation loss. Convection insulation prevents mechanical losses transferred through gas. Once collected as heat, thermos containment efficiency improves significantly with increased size. Unlike Photovoltaic technologies that often degrade under concentrated light, Solar Thermal depends upon light concentration that requires a clear sky to reach suitable temperatures.

Heat in a solar thermal system is guided by five basic principles: heat gain; теплопередача; heat storage; heat transport; и heat insulation.^[53] Here, heat is the measure of the amount of thermal energy an object contains and is determined by the temperature, mass and удельная теплоемкость of the object. Solar thermal power plants use heat exchangers that are designed for constant working conditions, to provide heat exchange. Copper heat exchangers are important in solar thermal heating and cooling systems because of copper’s high thermal conductivity, resistance to atmospheric and water corrosion, sealing and joining by soldering, and mechanical strength. Copper is used both in receivers and in primary circuits (pipes and heat exchangers for water tanks) of solar thermal water systems.^[54]

Heat gain is the heat accumulated from the sun in the system. Solar thermal heat is trapped using the парниковый эффект; the greenhouse effect in this case is the ability of a reflective surface to transmit short wave radiation and reflect long wave radiation. Heat and infrared radiation (IR) are produced when short wave radiation light hits the absorber plate, which is then trapped inside the collector. Fluid, usually water, in the absorber tubes collect the trapped heat and transfer it to a heat storage vault.

Heat is transferred either by conduction or convection. When water is heated, kinetic energy is transferred by conduction to water molecules throughout the medium. These molecules spread their thermal energy by conduction and occupy more space than the cold slow moving molecules above them. The distribution of energy from the rising hot water to the sinking cold water contributes to the convection process. Heat is transferred from the absorber plates of the collector in the fluid by conduction. The collector fluid is circulated through the carrier pipes to the heat transfer vault. Inside the vault, heat is transferred throughout the medium through convection.

Heat storage enables solar thermal plants to produce electricity during hours without sunlight. Heat is transferred to a thermal storage medium in an insulated reservoir during hours with sunlight, and is withdrawn for power generation during hours lacking sunlight. Thermal storage mediums will be discussed in a heat storage section. Rate of heat transfer is related to the conductive and convection medium as well as the temperature differences. Bodies with large temperature differences transfer heat faster than bodies with lower temperature differences.

Heat transport refers to the activity in which heat from a solar collector is transported to the heat storage vault. Heat insulation is vital in both heat transport tubing as well as the storage vault. It prevents heat loss, which in turn relates to energy loss, or decrease in the efficiency of the system.

Heat storage for electric base loads

Heat storage allows a solar thermal plant to produce electricity at night and on overcast days. This allows the use of solar power for базовая нагрузка generation as well as peak power generation, with the potential of displacing both coal- and natural gas-fired power plants. Additionally, the utilization of the generator is higher which reduces cost. Even short term storage can help by smoothing out the "duck curve " of rapid change in generation requirements at sunset when a grid includes large amounts of solar capacity.

Heat is transferred to a thermal storage medium in an insulated reservoir during the day, and withdrawn for power generation at night. Thermal storage media include pressurized steam, concrete, a variety of phase change materials, and расплавленные соли such as calcium, sodium and potassium nitrate.^[55][56]

Steam accumulator

В Башня солнечной энергии PS10 stores heat in танки as pressurized steam at 50 bar and 285 °C. The steam condenses and flashes back to steam, when pressure is lowered. Storage is for one hour. It is suggested that longer storage is possible, but that has not been proven in an existing power plant.^[57]

Molten salt storage

The 150 MW Andasol solar power station это реклама параболический желоб солнечная тепловая энергия power plant, located in Испания. The Andasol plant uses tanks of molten salt to store solar energy so that it can continue generating electricity even when the sun isn't shining.^[58]

Molten salt is used to transport heat in solar power tower systems because it is liquid at atmospheric pressure, provides a low-cost medium to store thermal energy, its operating temperatures are compatible with today's steam turbines, and it is non-flammable and nontoxic. Molten salt is also used in the chemical and metals industries to transport heat.

The first commercial molten salt mixture was a common form of селитра, 60% нитрат натрия and 40% азотнокислый калий. Saltpeter melts at 220 °C (430 °F) and is kept liquid at 290 °C (550 °F) in an insulated storage tank. Нитрат кальция can reduce the melting point to 131 °C, permitting more energy to be extracted before the salt freezes. There are now several technical calcium nitrate grades stable at more than 500 °C.

This solar power system can generate power in cloudy weather or at night using the heat in the tank of hot salt. The tanks are insulated, able to store heat for a week. Tanks that power a 100-megawatt turbine for four hours would be about 9 m (30 ft) tall and 24 m (80 ft) in diameter.

В Андасол power plant in Spain is the first commercial solar thermal power plant using molten salt for heat storage and nighttime generation. It came on line March 2009.^[59] On July 4, 2011, a company in Spain celebrated an historic moment for the solar industry: Torresol’s 19.9 MW concentrating solar power plant became the first ever to generate uninterrupted electricity for 24 hours straight, using a molten salt heat storage.^[60]

In 2016 SolarReserve предложил a 2 GW, $5 billion concentrated solar plant with storage in Nevada.

In January 2019 Shouhang Energy Saving Dunhuang 100MW molten salt tower solar energy photothermal power station project was connected to grid and started operating. Its configuration includes an 11-hour molten salt heat storage system and can generate power consecutively for 24 hours.^[61]

Phase-change materials for storage

Phase Change Material (PCMs) offer an alternative solution in energy storage.^[62] Using a similar heat transfer infrastructure, PCMs have the potential of providing a more efficient means of storage. PCMs can be either organic or inorganic materials. Advantages of organic PCMs include no corrosives, low or no undercooling, and chemical and thermal stability. Disadvantages include low phase-change enthalpy, low thermal conductivity, and flammability. Inorganics are advantageous with greater phase-change enthalpy, but exhibit disadvantages with undercooling, corrosion, phase separation, and lack of thermal stability. The greater phase-change enthalpy in inorganic PCMs make hydrate salts a strong candidate in the solar energy storage field.^[63]

Use of water

A design which requires water for condensation or cooling may conflict with location of solar thermal plants in desert areas with good solar radiation but limited water resources. The conflict is illustrated by plans of Solar Millennium, a German company, to build a plant in the Долина Амаргоса of Nevada which would require 20% of the water available in the area. Some other projected plants by the same and other companies in the Пустыня Мохаве of California may also be affected by difficulty in obtaining adequate and appropriate water rights. California water law currently prohibits use of potable water for cooling.^[64]

Other designs require less water. В Солнечная электростанция Иванпа in south-eastern California conserves scarce desert water by using air-cooling to convert the steam back into water. Compared to conventional wet-cooling, this results in a 90% reduction in water usage at the cost of some loss of efficiency. The water is then returned to the boiler in a closed process which is environmentally friendly.^[65]

Electrical conversion efficiency

Of all of these technologies the solar dish/Stirling engine has the highest energy efficiency. A single solar dish-Stirling engine installed at Сандийские национальные лаборатории National Solar Thermal Test Facility (NSTTF) produces as much as 25 kW of electricity, with a эффективность преобразования of 31.25%.^[66]

Солнечная параболический желоб plants have been built with efficiencies of about 20%.^{[нужна цитата ]} Fresnel reflectors have efficiency slightly lower efficiency (but this is compensated by the denser packing).

The gross conversion efficiencies (taking into account that the solar dishes or troughs occupy only a fraction of the total area of the power plant) are determined by net generating capacity over the solar energy that falls on the total area of the solar plant. The 500-megawatt (MW) SCE/SES plant would extract about 2.75% of the radiation (1 kW/m²; see Солнечная энергия for a discussion) that falls on its 4,500 acres (18.2 km²).^[67] For the 50 MW AndaSol Power Plant^[68] that is being built in Spain (total area of 1,300×1,500 m = 1.95 km²) gross conversion efficiency comes out at 2.6%.

Efficiency does not directly relate to cost: total cost includes the cost of construction and maintenance.

Стандарты

• EN 12975 (efficiency test)

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

• It's solar power's time to shine MSN Деньги
• World's Largest Solar Thermal in Saudi Arabia
• Onsite Renewable Technologies в Агентство по охране окружающей среды США интернет сайт
• Renewable solar energy websites в Керли
• Assessment of the World Bank/GEF Strategy for the Market Development of Concentrating Solar Thermal Power
• Solar thermal energy calculator
• Концентрация солнечной энергии An overview of the technology by Gerry Wolff, coordinator of TREC-UK
• NREL Concentrating Solar Power Program Site
• Comprehensive review of parabolic trough technology and markets
• Nevada Gets First U.S. Solar Thermal Plant
• Solar thermal and concentrated solar power barometer^{[постоянная мертвая ссылка ]} - 2013 Pdf
• Solar Water Heating TechScope Market Readiness Assessment Report - UNEP^{[постоянная мертвая ссылка ]}
• Guide for Solar Heating and Cooling Awareness-Raising Campaigns - UNEP
• Guidelines for Standardization and Quality Assurance for Solar Thermal - UNEP
• Guidelines for Solar Water Heating and Cooling Policy and Framework Conditions - UNEP
• Solar Water Heating, a Strategic Planning Guide for Cities in Developing Countries - UNEP^{[постоянная мертвая ссылка ]}