Концентрированная солнечная энергия

Не путать с фотоэлектрическими концентраторами .

в Солнечная энергетическая башня проекте Crescent Dunes Solar Energy Project, концентрирующая свет с помощью 10 000 зеркальных гелиостатов, охватывающих тринадцать миллионов квадратных футов (1,21 км 2). ² ).

Три башни солнечной электростанции Иванпа

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

Вид на Khi Solar One с высоты птичьего полета , Южная Африка.

концентрированной солнечной энергии ( CSP , также известные как концентрирующая солнечная энергия , концентрированная солнечная тепловая система Системы ) генерируют солнечную энергию , используя зеркала или линзы для концентрации большой площади солнечного света в приемнике. Электричество генерируется, когда концентрированный свет преобразуется в тепло ( солнечную тепловую энергию ), которое приводит в движение тепловой двигатель (обычно паровую турбину ), подключенный к генератору электрической энергии. или приводит в действие термохимическую реакцию.

По состоянию на 2021 год мировая установленная мощность концентрированной солнечной энергии составляла 6,8 ГВт. По состоянию на 2023 год общая мощность составила 8,1 ГВт, с учетом трех новых проектов CSP, строящихся в Китае. и в Дубае в ОАЭ. Базирующаяся в США Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), которая ведет глобальную базу данных электростанций CSP, насчитывает 6,6 ГВт действующей мощности и еще 1,5 ГВт находится в стадии строительства.

Сравнение CSP с другими источниками электроэнергии

Как электростанция, производящая тепловую энергию, CSP имеет больше общего с тепловыми электростанциями, такими как угольные, газовые или геотермальные электростанции. Установка CSP может включать в себя хранилище тепловой энергии , которое сохраняет энергию либо в форме явного тепла , либо в виде скрытого тепла (например, с использованием расплавленной соли ), что позволяет этим станциям продолжать поставлять электроэнергию, когда она необходима, днем ​​или ночью. Это делает CSP управляемой формой солнечной энергии. Диспетчеризация возобновляемой энергии особенно ценна в местах, где уже широко распространена фотоэлектрическая энергия (PV), например, в Калифорнии , потому что спрос на электроэнергию достигает пика ближе к закату, когда мощность фотоэлектрических станций снижается (феномен, называемый « уточной кривой »).

CSP часто сравнивают с фотоэлектрическими солнечными батареями (PV), поскольку они оба используют солнечную энергию. В то время как в 2010-х годах фотоэлектрическая солнечная энергия пережила огромный рост из-за падения цен, Рост солнечной CSP был медленным из-за технических трудностей и высоких цен. В 2017 году CSP представляла менее 2% мировой установленной мощности солнечных электростанций. Однако CSP может легче хранить энергию в ночное время, что делает ее более конкурентоспособной по сравнению с управляемыми генераторами и электростанциями с базовой нагрузкой.

Проект DEWA в Дубае, строящийся в 2019 году, установил мировой рекорд по самой низкой цене CSP в 2017 году - 73 доллара США за МВтч. для проекта комбинированного желоба и башни мощностью 700 МВт: желоб мощностью 600 МВт, башня 100 МВт с 15-часовым хранением тепловой энергии в день.Тариф CSP на базовую нагрузку в чрезвычайно засушливом регионе Атакама в Чили достиг уровня ниже 50 долларов США за МВтч на аукционах 2017 года.

История

Солнечная паровая машина для перекачки воды, недалеко от Лос-Анджелеса, около 1901 года.

Легенда гласит, что Архимед использовал «зажигающее стекло», чтобы сосредоточить солнечный свет на вторгающемся римском флоте и отразить его от Сиракуз . В 1973 году греческий ученый доктор Иоаннис Саккас, интересующийся тем, 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 наклоном, чтобы ловить солнечные лучи и направлять их на смолу. - обтянутый фанерой силуэт на расстоянии 49 м (160 футов). Через несколько минут корабль загорелся; однако историки продолжают сомневаться в истории Архимеда.

В 1866 году Огюст Мушу использовал параболический желоб для производства пара для первого солнечного парового двигателя. 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 Фрэнк Шуман, разработали концентрирующие устройства на солнечной энергии для орошения, охлаждения и передвижения. В 1913 году Шуман завершил строительство параболической солнечной тепловой электростанции мощностью 55 лошадиных сил (41 кВт) в Маади, Египет, для орошения. Первая система солнечной энергии с использованием зеркальной тарелки была построена доктором Р. Х. Годдардом , который уже был хорошо известен своими исследованиями ракет на жидком топливе и написал в 1929 году статью, в которой утверждал, что все предыдущие препятствия были устранены.

Профессор Джованни Франча (1911–1980) спроектировал и построил первую электростанцию ​​с концентрированной солнечной энергией, которая вступила в эксплуатацию в Сант-Иларио, недалеко от Генуи, Италия, в 1968 году. Эта электростанция имела архитектуру современных электростанций с башней с солнечным приемником в центр поля солнечных коллекторов. Завод мог производить 1 МВт перегретого пара при давлении 100 бар и температуре 500 °C. мощностью 10 МВт Solar One Энергобашня была разработана в Южной Калифорнии в 1981 году. Solar One была преобразована в Solar Two в 1995 году, реализовав новую конструкцию с расплавленной солевой смесью (60% нитрата натрия, 40% нитрата калия) в качестве рабочей жидкости приемника. и как носитель информации. Метод расплавленной соли оказался эффективным, и Solar Two успешно работала до тех пор, пока не была выведена из эксплуатации в 1999 году. Технология параболических желобов близлежащих систем производства солнечной энергии (SEGS), начатая в 1984 году, оказалась более работоспособной. SEGS мощностью 354 МВт была крупнейшей солнечной электростанцией в мире до 2014 года.

Никакой коммерческой концентрированной солнечной энергии не строилось с 1990 года, когда была завершена установка SEGS, до 2006 года, когда была построена компактная линейная система отражателей Френеля на электростанции Лидделл в Австралии. По такой конструкции было построено несколько других электростанций, хотя в 2009 году открылась солнечная тепловая электростанция Кимберлина мощностью 5 МВт .

В 2007 году была построена Nevada Solar One мощностью 75 МВт, желобная конструкция и первая крупная электростанция со времен SEGS. В период с 2010 по 2013 год Испания построила более 40 параболических желобных систем, стандартизированных в блоки по 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 к созданию новых установок такого типа. солнечная электростанция Иванпа, В то же время была построена но без накопителя тепла, каждое утро для предварительного нагрева воды использовался природный газ.

Большинство концентрированных солнечных электростанций используют конструкцию параболического желоба вместо силовой башни или систем Френеля. Также существовали варианты параболических желобных систем, таких как интегрированный солнечный комбинированный цикл (ISCC) , который сочетает в себе желоба и традиционные системы отопления, работающие на ископаемом топливе.

Первоначально CSP рассматривалась как конкурент фотоэлектрических систем, а Ivanpah была построена без накопителей энергии, хотя Solar Two включала в себя несколько часов хранения тепла. К 2015 году цены на фотоэлектрические установки упали, а коммерческая фотоэлектрическая энергия продавалась по более низкой цене. 1 ⁄ 3 современных контрактов CSP. Тем не менее, CSP все чаще предлагается с возможностью хранения тепловой энергии от 3 до 12 часов, что делает CSP управляемой формой солнечной энергии. Таким образом, его все чаще рассматривают как конкурирующего с природным газом и фотоэлектрическими батареями в плане гибкой и управляемой энергетики.

Современные технологии

CSP используется для производства электроэнергии (иногда называемой солнечным термоэлектричеством, обычно вырабатываемой с помощью пара ). В системах с концентрированной солнечной энергией используются зеркала или линзы с системами слежения , чтобы сосредоточить большую площадь солнечного света на небольшой площади. Концентрированный свет затем используется в качестве тепла или источника тепла для обычной электростанции (солнечное термоэлектричество). Солнечные концентраторы, используемые в системах CSP, часто также могут использоваться для обеспечения обогрева или охлаждения промышленных процессов, например, в системах кондиционирования воздуха на солнечной энергии .

Концентрирующие технологии существуют в четырех оптических типах, а именно: параболический желоб , тарелка , концентрирующий линейный отражатель Френеля и башня солнечной энергии . Параболический желоб и концентрирующие линейные отражатели Френеля классифицируются как коллекторы с линейной фокусировкой, тогда как тарелка и солнечная башня относятся к типам точечной фокусировки. Коллекторы с линейной фокусировкой достигают средних коэффициентов концентрации (50 солнц и более), а коллекторы с точечной фокусировкой достигают высоких коэффициентов концентрации (более 500 солнц). Несмотря на свою простоту, эти солнечные концентраторы довольно далеки от теоретической максимальной концентрации. Например, концентрация параболической впадины дает около 1 ⁄ 3 от теоретического максимума расчетного приемистого угла , то есть при тех же общих допусках для системы. Приближения к теоретическому максимуму можно достичь, используя более совершенные концентраторы на основе невизуальной оптики .

Различные типы концентраторов производят разные пиковые температуры и, соответственно, разную термодинамическую эффективность из-за различий в том, как они отслеживают солнце и фокусируют свет. Новые инновации в технологии CSP приводят к тому, что системы становятся все более и более экономически эффективными.

В 2023 году национальное научное агентство Австралии CSIRO протестировало систему CSP, в которой крошечные керамические частицы падают сквозь луч концентрированной солнечной энергии, причем керамические частицы способны хранить большее количество тепла, чем расплавленная соль, при этом не требуя контейнера, который уменьшал бы тепло. передача.

Параболический желоб

Основная статья: Параболический желоб

Параболический желоб на заводе недалеко от озера Харпер, Калифорния.

Схема линейного параболического отражателя, концентрирующего солнечные лучи для нагрева рабочего тела

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. Отражатель следует за солнцем в дневное время, отслеживая его вдоль одной оси. ( Рабочая жидкость например, расплавленная соль ) нагревается до 150–350 ° C (302–662 ° F) при прохождении через приемник, а затем используется в качестве источника тепла для системы выработки электроэнергии. Лотковые системы являются наиболее развитой технологией CSP. Репрезентативными являются заводы по производству солнечной энергии (SEGS) в Калифорнии, первые в мире коммерческие электростанции с параболическими желобами, Nevada Solar One компании Acciona недалеко от Боулдер-Сити, штат Невада , и Andasol , первая в Европе коммерческая электростанция с параболическими желобами, а также станция Plataforma Solar de Almería . Испытательные центры SSPS-DCS в Испании .

Закрытый корыто

В конструкции солнечная тепловая система заключена в теплице, похожей на теплицу. Теплица создает защищенную среду, способную противостоять элементам, которые могут отрицательно повлиять на надежность и эффективность солнечной тепловой системы. К потолку теплицы на тросах подвешены легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечные лучи. Одноосная система слежения позиционирует зеркала так, чтобы получать оптимальное количество солнечного света. Зеркала концентрируют солнечный свет и фокусируют его на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. Вода переносится по всей длине трубы, которая кипятится для образования пара при интенсивном солнечном излучении. Защита зеркал от ветра позволяет им достичь более высоких температур и предотвращает скопление пыли на зеркалах.

GlassPoint Solar , компания, создавшая конструкцию закрытого желоба, заявляет, что ее технология может производить тепло для повышения нефтеотдачи (EOR) примерно за 5 долларов за 290 кВтч (1 000 000 БТЕ) в солнечных регионах по сравнению с 10–12 долларами за другие традиционные солнечные тепловые системы. технологии.

Солнечная энергетическая башня

Основная статья: Солнечная энергетическая башня

Электростанция Ашалим , Израиль, после завершения строительства самой высокой солнечной башни в мире. Он концентрирует свет от более чем 50 000 гелиостатов.

Солнечная электростанция PS10 в Андалусии , Испания, концентрирует солнечный свет от поля гелиостатов на центральной солнечной электростанции.

Солнечная энергетическая башня состоит из набора двухосных отражателей слежения ( гелиостатов ), которые концентрируют солнечный свет на центральном приемнике на вершине башни; в ресивере содержится жидкий теплоноситель, который может состоять из воды-пара или расплавленной соли . Оптически солнечная энергетическая башня аналогична круглому отражателю Френеля. Рабочее тело в ресивере нагревается до 500–1000 °C (773–1273 К или 932–1832 °F), а затем используется в качестве источника тепла для системы выработки или хранения энергии. Преимущество солнечной башни в том, что можно регулировать отражатели, а не всю башню. Разработка силовых башен менее продвинута, чем желобных систем, но они предлагают более высокую эффективность и лучшие возможности хранения энергии. Применение балочной башни также возможно с использованием гелиостатов для нагрева рабочей жидкости. CSP с двойными башнями также используются для повышения эффективности преобразования почти на 24%.

Solar Two в Даггетте , Калифорния, и CESA-1 в Plataforma Solar de Almeria, Наиболее представительными демонстрационными установками являются Альмерия, Испания. Planta Solar 10 (PS10) в Санлукар-ла-Майор , Испания, является первой коммерческой солнечной энергетической башней в мире. мощностью 377 МВт Солнечная электростанция Иванпа , расположенная в пустыне Мохаве , была крупнейшей электростанцией CSP в мире и использует три силовые башни. Иванпа генерировала только 0,652 ТВтч (63%) своей энергии за счет солнечной энергии, а остальные 0,388 ТВтч (37%) были получены за счет сжигания природного газа .

Сверхкритический диоксид углерода можно использовать вместо пара в качестве теплоносителя для повышения эффективности производства электроэнергии . Однако из-за высоких температур в засушливых районах, где обычно расположены солнечные электростанции, невозможно охладить углекислый газ ниже критической температуры на входе в компрессор . Поэтому смеси сверхкритического диоксида углерода в настоящее время разрабатываются с более высокой критической температурой.

Отражатели Френеля

Основная статья: Компактный линейный отражатель Френеля

Отражатели Френеля состоят из множества тонких плоских зеркальных полосок, которые концентрируют солнечный свет на трубках, по которым прокачивается рабочая жидкость. Плоские зеркала обеспечивают большую отражающую поверхность на том же пространстве, чем параболический отражатель, тем самым улавливая больше доступного солнечного света, и они намного дешевле, чем параболические отражатели. Отражатели Френеля можно использовать в CSP различных размеров.

Отражатели Френеля иногда рассматриваются как технология с худшим результатом, чем другие методы. Экономическая эффективность этой модели – вот что заставляет некоторых использовать ее вместо других с более высокими выходными характеристиками. Некоторые новые модели отражателей Френеля с возможностью трассировки лучей начали тестироваться и первоначально показали более высокую производительность, чем стандартная версия.

Блюдо Стирлинг

См. Также: Солнечная тепловая энергия § Конструкции посуды.

Блюдо Стирлинг

Система тарелочного Стирлинга или тарельчатого двигателя состоит из отдельного параболического отражателя , который концентрирует свет на приемнике, расположенном в фокусе рефлектора. 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 мощности. Системы с параболическими тарелками обеспечивают высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (от 31% до 32%), а их модульная природа обеспечивает масштабируемость. Блюда Stirling Energy Systems (SES), United Sun Systems (USS) и Science Applications International Corporation (SAIC) в UNLV , а также национального университета Австралийского Big Dish в Канберре , Австралия, являются представителями этой технологии. Мировой рекорд КПД солнечной энергии и электроэнергии был установлен на уровне 31,25% антеннами SES на Национальном испытательном стенде солнечной тепловой энергии (NSTTF) в Нью-Мексико 31 января 2008 года, в холодный и яркий день. По словам ее разработчика, шведской фирмы Ripasso Energy, в 2015 году ее система Dish Sterling, проходившая испытания в пустыне Калахари в Южной Африке, показала эффективность 34%. Установка SES в Марикопе, Финикс, была крупнейшей энергоустановкой Стирлинга в мире, пока не была продана компании United Sun Systems . Впоследствии большие части установки были перевезены в Китай из-за огромного спроса на энергию.

ЦСП с накопителем тепловой энергии

См. Также: Хранение тепловой энергии и Солнечная тепловая энергия.

На установке CSP, которая включает в себя хранилище, солнечная энергия сначала используется для нагрева расплавленной соли или синтетического масла, которые хранятся, обеспечивая тепловую/тепловую энергию при высокой температуре в изолированных резервуарах. Позже горячая расплавленная соль (или масло) используется в парогенераторе для производства пара для выработки электроэнергии паровым турбогенератором в соответствии с требованиями. Таким образом, солнечная энергия, доступная только в дневное время, используется для круглосуточного производства электроэнергии по требованию в качестве нагрузки после электростанции или солнечной пиковой электростанции. Теплоемкость аккумулятора указана в часах выработки электроэнергии согласно паспортной мощности . В отличие от фотоэлектрических солнечных батарей или CSP без хранения, производство электроэнергии на солнечных тепловых станциях является управляемым и самодостаточным, как и на угольных/ газовых электростанциях , но без загрязнения. КСЭ с накопителями тепловой энергии также может использоваться в качестве когенерационных установок для круглосуточной подачи как электроэнергии, так и технологического пара. По состоянию на декабрь 2018 года стоимость выработки CSP с установками хранения тепловой энергии колебалась от 5 евро/кВтч до 7 евро/кВтч в зависимости от хорошей или средней солнечной радиации, полученной в данном месте. В отличие от солнечных фотоэлектрических установок, CSP с установками по хранению тепловой энергии также может экономично использоваться круглосуточно для производства только технологического пара, заменяющего выбросы ископаемого топлива . Установка CSP также может быть интегрирована с солнечной фотоэлектрической системой для лучшей синергии.

Также доступны CSP с системами хранения тепла, использующими цикл Брайтона с воздухом вместо пара для круглосуточной выработки электроэнергии и/или пара. Эти электростанции CSP оснащены газовыми турбинами для выработки электроэнергии. Они также имеют небольшую мощность (<0,4 МВт) и могут быть установлены на площади в несколько акров. Отходящее тепло электростанции также можно использовать для производства технологического пара и систем отопления, вентиляции и кондиционирования . нужд Если наличие земли не является ограничением, любое количество этих модулей может быть установлено до 1000 МВт с RAMS и экономическим преимуществом, поскольку стоимость этих блоков за МВт дешевле, чем у солнечных тепловых станций большего размера.

Круглосуточное централизованное централизованное отопление также возможно с помощью концентрированных солнечных теплоаккумулирующих установок.

Развертывание по всему миру

Основные статьи: Список солнечных тепловых электростанций и солнечной энергии по странам

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

1984

1990

1995

2000

2005

2010

2015

Мировая мощность CSP с 1984 г., МВт _p

Мощности национальных СЭС в 2023 г. (МВт _p )

Страна	Общий	Добавлен
Испания	2,304	0
Соединенные Штаты	1,480	0
ЮАР	500	0
Марокко	540	0
Индия	343	0
Китай	570	0
Объединенные Арабские Эмираты	600	300
Саудовская Аравия	50	0
Алжир	25	0
Египет	20	0
Австралия	3	0
Таиланд	5	0
Источник : Отчет о глобальном состоянии REN21 , 2017 и 2018 гг.

Первый завод работал на Сицилии в Адрано . Развертывание установок CSP в США началось в 1984 году с установок SEGS . Последний завод SEGS был построен в 1990 году. С 1991 по 2005 год ни один завод CSP не был построен нигде в мире. Глобальная установленная мощность 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, поскольку число стран с установленными CSP росло. В 2013 году установленная мощность во всем мире увеличилась на 36%, или почти на 0,9 гигаватт (ГВт), до более чем 3,4 ГВт. Рекорд установленной мощности был достигнут в 2014 году и составил 925 МВт, однако за ним последовал спад, вызванный изменениями в политике, мировым финансовым кризисом и быстрым снижением цен на фотоэлектрические элементы. Тем не менее, в 2021 году общая мощность достигла 6800 МВт.

На долю Испании приходится почти треть мировых мощностей — 2300 МВт, несмотря на то, что с 2013 года в стране не вводились в коммерческую эксплуатацию новые мощности. Далее следуют США с 1740 МВт. Интерес также заметен в Северной Африке и на Ближнем Востоке, а также в Китае и Индии. Существует заметная тенденция к развитию стран и регионов с высоким уровнем солнечной радиации: в 2017 году строилось несколько крупных электростанций.

Концентрированная солнечная энергия в мире (МВт _·п .)

Год	1984	1985	1989	1990	1991-2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	2023
Установлено	14	60	200	80	0	1	74	55	179	307	629	803	872	925	420	266	101	740	566	38	-39	199	300
кумулятивный	14	74	274	354	354	355	429	484	663	969	1,598	2,553	3,425	4,335	4,705	4,971	5,072	5,812	6,378	6,416	6,377	6,576	6,876
Источники : РЕН21.  · CSP-world.com  · ИРЕНА  · ГелиосCSP

Первоначально на мировом рынке доминировали установки с параболическими желобами, на долю которых в какой-то момент приходилось 90% установок CSP.

Примерно с 2010 года центральная силовая башня CSP отдает предпочтение на новых электростанциях из-за ее работы при более высоких температурах - до 565 ° C (1049 ° F) по сравнению с максимальной температурой желоба 400 ° C (752 ° F), что обещает большую эффективность.

Среди наиболее крупных проектов CSP — солнечная электростанция Иванпа (392 МВт) в США, в которой используется технология солнечной энергетической башни без хранения тепловой энергии, а также солнечная электростанция Уарзазат в Марокко. который сочетает в себе вертикальную и башенную технологии общей мощностью 510 МВт с несколькими часами хранения энергии.

Расходы

Объемная энергия от CSP сегодня намного дороже, чем солнечная фотоэлектрическая или ветровая энергия, однако разработчики надеются, что CSP с накоплением энергии может стать более дешевой альтернативой. Уже в 2011 году быстрое снижение цен на фотоэлектрические системы привело к прогнозам, что CSP больше не будет экономически жизнеспособным. По состоянию на 2020 год самые дешевые концентрированные солнечные электростанции коммунального масштаба в США и во всем мире будут в пять раз дороже, чем фотоэлектрические электростанции коммунального масштаба , с прогнозируемой минимальной ценой 7 центов за киловатт-час для самой современной CSP. станции против рекордно низкого уровня в 1,32 цента за кВтч. для фотоэлектрических систем коммунального масштаба. Эта пятикратная разница в цене сохраняется с 2018 года. Некоторые электростанции PV-CSP в Китае стремились прибыльно работать по региональному тарифу на уголь в размере 5 центов США за кВтч в 2021 году.

Несмотря на то, что общее внедрение CSP в начале 2020-х годов остается ограниченным, приведенная стоимость электроэнергии электростанций коммерческого масштаба значительно снизилась с 2010-х годов. Скорость обучения оценивается примерно в 20%-ном сокращении затрат при каждом удвоении мощности. В начале 2020-х годов стоимость приближалась к верхнему пределу диапазона затрат на ископаемое топливо, что было обусловлено схемами поддержки в нескольких странах, включая Испанию, США, Марокко, Южную Африку, Китай и ОАЭ:

LCOE of Concentrating Solar Power from 2006 to 2019

Развертывание CSP значительно замедлилось, поскольку большинство вышеупомянутых рынков прекратили свою поддержку. поскольку эта технология оказалась более дорогой в расчете на кВтч, чем солнечная фотоэлектрическая и ветровая энергия. CSP в сочетании с накоплением тепловой энергии (TES) станет дешевле, чем фотоэлектрические батареи с литиевыми батареями при продолжительности хранения более 4 часов в день. Некоторые ожидают, что в то время как NREL ожидает, что к 2030 году фотоэлектрические литиевые батареи с 10-часовым аккумулятором будут стоить столько же, сколько фотоэлектрические с 4-часовым аккумулятором, которые стоили в 2020 году.

Эффективность

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

Реальные системы заявляют, что максимальная эффективность преобразования составляет 23–35% для систем типа «энергетическая башня», работающих при температурах от 250 до 565 ° C, при этом более высокий показатель эффективности предполагает турбину с комбинированным циклом. Системы Dish Stirling, работающие при температуре 550–750 °C, заявляют о КПД около 30%. Из-за изменения солнечного света в течение дня достигнутый средний КПД преобразования не равен этому максимальному КПД, а чистый годовой КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию составляет 7–20 % для пилотных систем башен и 12–25 % для демонстрационные системы тарелок Стирлинга.

Теория

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

Эффективность преобразования $\eta$ Превращение падающего солнечного излучения в механическую работу зависит от свойств теплового излучения солнечного приемника и тепловой машины ( например, паровой турбины). Солнечное излучение сначала преобразуется в тепло солнечным приемником с эффективностью $\eta _{Receiver}$ а затем тепло преобразуется в механическую энергию тепловой машиной с КПД $\eta _{mechanical}$, используя принцип Карно . Механическая энергия затем преобразуется в электрическую с помощью генератора.Для приемника солнечной энергии с механическим преобразователем ( например , турбиной) общий КПД преобразования можно определить следующим образом:

$\eta =\eta _{\mathrm {optics} }\cdot \eta _{\mathrm {receiver} }\cdot \eta _{\mathrm {mechanical} }\cdot \eta _{\mathrm {generator} }$

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

$\eta _{\mathrm {receiver} }$ является:

$\eta _{\mathrm {receiver} }={\frac {Q_{\mathrm {absorbed} }-Q_{\mathrm {lost} }}{Q_{\mathrm {incident} }}}$

с $Q_{\mathrm {incident} }$, $Q_{\mathrm {absorbed} }$, $Q_{\mathrm {lost} }$ соответственно входящий солнечный поток и потоки, поглощаемые и теряемые солнечным приемником системы.

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

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

Реальный КПД типичных двигателей достигает от 50% до максимум 70% КПД Карно из-за таких потерь, как потери тепла и парусность в движущихся частях.

Идеальный случай

Для солнечного потока $I$ (например $I=1000\,\mathrm {W/m^{2}}$) концентрированный $C$ раз с эффективностью $\eta _{Optics}$ на системном солнечном приемнике с зоной сбора $A$ и поглощающая способность $\alpha$:

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

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

Для простоты можно предположить, что потери являются только радиационными (справедливое предположение для высоких температур), таким образом, для переизлучающей области A и излучательной способности $\epsilon$ применение закона Стефана – Больцмана дает:

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

Упрощая эти уравнения, рассматривая идеальную оптику ( $\eta _{\mathrm {Optics} }$ = 1) и без учета конечного этапа преобразования в электричество с помощью генератора, собирая и переизлучая площади, равные и максимальные коэффициенты поглощения и излучения ( $\alpha$ = 1, $\epsilon$ = 1) тогда подстановка в первое уравнение дает

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

График показывает, что общая эффективность не увеличивается постоянно с повышением температуры приемника. Хотя эффективность тепловой машины (Карно) увеличивается с повышением температуры, эффективность приемника не увеличивается. Напротив, эффективность приемника падает, поскольку количество энергии, которую он не может поглотить ( _{потерянная} 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: $T_{\mathrm {max} }=\left({\frac {IC}{\sigma }}\right)^{0.25}$

Существует температура Т _opt, при которой КПД максимален т.е. , когда производная эффективности относительно температуры приемника равна нулю:

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

Следовательно, это приводит нас к следующему уравнению:

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

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

С	500	1000	5000	10000	45000 (максимум для Земли)
Т макс.	1720	2050	3060	3640	5300
TОпция	970	1100	1500	1720	2310

Помимо теоретической эффективности, реальный опыт CSP показывает отставание прогнозируемого производства на 25–60%, значительная часть которого обусловлена ​​практическими потерями в цикле Карно, не включенными в приведенный выше анализ.

Стимулы и рынки

Испания

Солнечная электростанция Андасоль в Испании

В 2008 году Испания запустила первый рынок CSP коммерческого масштаба в Европе. До 2012 года производство солнечной и тепловой электроэнергии изначально имело право на льготные тарифы (статья 2 РД 661/2007), что привело к созданию крупнейшего в мире парка CSP, установленная мощность которого составляет около 2,3 ГВт, что дает около 5 ТВтч электроэнергии. электроэнергии в испанскую сеть каждый год. Первоначальные требования к растениям 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).

Ограничения мощности для различных типов систем переопределялись при пересмотре условий применения каждый квартал (ст. 5 РД 1578/2008, Приложение III РД 1578/2008). До окончания периода подачи заявок рыночные капитализации, указанные для каждого типа системы, публикуются на веб-сайте Министерства промышленности, туризма и торговли (статья 5 РД 1578/2008). Из-за проблем с затратами Испания приостановила прием новых проектов по льготному тарифу 27 января 2012 г. Уже принятые проекты подверглись введению 6%-го «солнечного налога» на «зеленые» тарифы, что фактически снизило «зеленые» тарифы.

В этом контексте правительство Испании приняло Королевский указ-закон 9/2013. в 2013 году, направленный на принятие срочных мер по обеспечению экономической и финансовой стабильности электроэнергетической системы, заложив основы нового Закона 24/2013 об электроэнергетическом секторе Испании. Эта новая правовая и экономическая основа с обратной силой, применимая ко всем системам возобновляемой энергетики, была разработана в 2014 году РД 413/2014. который отменил прежнюю нормативную базу, установленную РД 661/2007 и РД 1578/2008, и определил новую схему вознаграждения за эти активы.

После десятилетия, потерянного для CSP в Европе, Испания объявила в своем Национальном плане энергетики и климата о намерении добавить 5 ГВт мощности CSP в период с 2021 по 2030 год. С этой целью ожидается проведение раз в два года аукционов мощности CSP мощностью 200 МВт, которые начнутся в октябре 2022 года, но подробности пока не известны.

Австралия

Основная статья: Солнечная энергия в Австралии

Несколько антенн CSP были установлены в отдаленных поселениях аборигенов Северной территории : Германсбург , Юэндуму и Ладжаману .

До сих пор в Австралии не было введено в эксплуатацию ни одного проекта CSP коммерческого масштаба, но было предложено несколько проектов. В 2017 году ныне обанкротившийся американский разработчик CSP SolarReserve получил контракт PPA мощностью 150 МВт на реализацию проекта солнечной тепловой электростанции «Аврора» в Южной Австралии по рекордно низкой цене — всего 0,08 австралийских долларов за кВтч или около 0,06 долларов США за кВтч. К сожалению, компании не удалось получить финансирование, и проект был отменен. Еще одним многообещающим применением CSP в Австралии являются шахты, которые круглосуточно нуждаются в электричестве, но часто не имеют подключения к сети. Vast Solar, стартап-компания, стремящаяся коммерциализировать новую модульную конструкцию CSP третьего поколения. планирует начать строительство комбинированной электростанции и фотоэлектрической установки мощностью 50 МВт в Маунт-Айза на северо-западе Квинсленда в 2021 году.

На федеральном уровне в соответствии с Целью крупномасштабной возобновляемой энергетики (LRET), действующей в соответствии с Законом о возобновляемой энергии и электроэнергии 2000 года, крупномасштабное производство солнечной тепловой электроэнергии на аккредитованных электростанциях RET может иметь право на создание сертификатов крупномасштабной генерации ( LGC). Эти сертификаты затем могут быть проданы и переданы ответственным лицам (обычно розничным торговцам электроэнергией) для выполнения их обязательств по этой схеме торгуемых сертификатов. Однако, поскольку это законодательство является технологически нейтральным в своем применении, оно имеет тенденцию отдавать предпочтение более устоявшимся технологиям возобновляемой энергии с более низкой приведенной стоимостью производства, таким как крупномасштабная береговая ветроэнергетика, а не солнечной тепловой энергии и CSP. На уровне штата законы о поставках возобновляемой энергии обычно ограничиваются максимальной генерирующей мощностью в кВтп и открыты только для микро- или среднего производства, а в ряде случаев открыты только для солнечной фотоэлектрической (PV) генерации. Это означает, что более масштабные проекты CSP не будут иметь право на оплату льготных льгот во многих юрисдикциях штатов и территорий.

Китай

Энергетическая башня Хами мощностью 50 МВт Китайской энергетической инженерной корпорации имеет 8-часовое хранилище расплавленной соли.

Основная статья: Солнечная энергия в Китае § Концентрированная солнечная энергия

В 2024 году Китай предложит технологию CSP второго поколения, чтобы конкурировать с другими методами производства электроэнергии по требованию, основанными на возобновляемых или невозобновляемых ископаемых видах топлива, без каких-либо прямых или косвенных субсидий. В текущем 14-м пятилетнем плане проекты CSP разрабатываются в нескольких провинциях наряду с крупными проектами солнечной фотоэлектрической и ветровой энергии мощностью в ГВт.

В 2016 году Китай объявил о своем намерении построить серию из 20 технологически разнообразных демонстрационных проектов CSP в контексте 13-й пятилетки с намерением создать конкурентоспособную на международном уровне отрасль CSP. Поскольку первые электростанции были построены в 2018 году, выработка электроэнергии на электростанциях с теплоаккумуляторами поддерживается административно установленным FiT в размере 1,5 юаней за кВтч. По состоянию на конец 2020 года в Китае эксплуатировалось в общей сложности 545 МВт на 12 станциях CSP. семь электростанций (320 МВт) представляют собой соляные башни; еще две электростанции (150 МВт) используют проверенную конструкцию параболического желоба Eurotrough 150, три электростанции (75 МВт) используют линейные коллекторы Френеля. Планы по созданию второй партии демонстрационных проектов так и не были реализованы, и дальнейшая технологическая поддержка CSP в предстоящей 14-й пятилетке неизвестна. Проекты федеральной поддержки из демонстрационной партии закончились в конце 2021 года.

Индия

В марте 2024 года SECI объявил, что запрос предложений на мощность 500 МВт будет объявлен в 2024 году.

Солнечные тепловые реакторы

CSP имеет и другие применения, помимо электричества. Исследователи исследуют солнечные тепловые реакторы для производства солнечного топлива, что сделает солнечную энергию полностью транспортабельной формой энергии в будущем. Эти исследователи используют солнечное тепло CSP в качестве термохимического катализатора для расщепления молекул H ₂ O и создания водорода (H ₂ ) из солнечной энергии без выбросов углерода. Расщепляя H ₂ O и CO ₂ , другие широко используемые углеводороды – например, топливо для реактивных двигателей, используемое в коммерческих самолетах – также могут быть созданы с помощью солнечной энергии, а не из ископаемого топлива.

Солнечное тепло можно использовать для получения пара, который сделает тяжелую нефть менее вязкой и ее будет легче перекачивать. Этот процесс называется солнечным термическим повышением нефтеотдачи . Солнечная энергетическая башня и параболические желоба могут использоваться для получения пара, который используется напрямую, поэтому не требуются генераторы и не производится электричество. Повышение нефтеотдачи с использованием солнечной энергии может продлить срок службы месторождений с очень густой нефтью, перекачивать которую в противном случае было бы экономически нецелесообразно.

Производство углеродно-нейтрального синтетического топлива с использованием концентрированной солнечной тепловой энергии при температуре около 1500 °C технически осуществимо и будет коммерчески жизнеспособным в будущем, если затраты на установки CSP снизятся. Также углеродно-нейтральный водород можно производить с помощью солнечной тепловой энергии (CSP) с использованием цикла сера-йод , гибридного цикла серы , цикла оксида железа , цикла меди-хлора , цикла цинка-оксида цинка , оксида церия (IV)-оксида церия (III). цикл и т. д.

Солнечные электростанции мощностью в гигаватт

Примерно на рубеже тысячелетий и примерно до 2010 года было несколько предложений по созданию очень крупных солнечных электростанций гигаваттной мощности с использованием CSP. В их число входят европейско-средиземноморское предложение Desertec и проект Helios в Греции (10 ГВт), которые сейчас отменены. Исследование 2003 года пришло к выводу, что мир может генерировать 2 357 840 ТВтч каждый год с помощью очень крупных солнечных электростанций, использующих по 1% каждой пустыни мира. Общее потребление во всем мире составило 15 223 ТВтч/год. (в 2003 году). Проекты гигаваттного размера представляли бы собой массивы одиночных электростанций стандартного размера. В 2012 году BLM предоставила 97 921 069 акров (39 627 251 га) земли на юго-западе США для проектов солнечной энергетики, что достаточно для мощности от 10 000 до 20 000 ГВт. Крупнейшей действующей электростанцией является солнечная электростанция Нур мощностью 510 МВт . В 2022 году 4-я очередь CSP мощностью 700 МВт солнечного парка Мохаммеда бен Рашида Аль Мактума мощностью 5 ГВт в Дубае станет крупнейшим солнечным комплексом с CSP.

Подходящие сайты

Места с наибольшей прямой радиацией засушливы, расположены на большой высоте и расположены в тропиках . Эти места имеют более высокий потенциал для CSP, чем районы с меньшим количеством солнца.

Заброшенные карьеры , умеренные склоны холмов и воронки могут быть предпочтительными в случае электробашни CSP, поскольку силовая башня может быть расположена на земле как единое целое с резервуаром для хранения расплавленной соли.

Воздействие на окружающую среду

CSP оказывает ряд экологических последствий, особенно на водопользование, землепользование и использование опасных материалов. Вода обычно используется для охлаждения и очистки зеркал. В некоторых проектах изучаются различные подходы к сокращению использования воды и чистящих средств, включая использование барьеров, антипригарных покрытий на зеркалах, систем водяного тумана и других.

Использование воды

Концентрирующие солнечные электростанции с системами мокрого охлаждения имеют самую высокую водоемкость среди электростанций любого традиционного типа; только заводы по производству ископаемого топлива с улавливанием и хранением углерода могут иметь более высокую водоемкость. Исследование 2013 года, сравнивающее различные источники электроэнергии, показало, что среднее потребление воды во время работы концентрирующих солнечных электростанций с мокрым охлаждением составляло 3,1 кубических метров на мегаватт-час (810 галлонов США / МВтч) для электростанций и 3,4 м3 на мегаватт-час (810 галлонов США / МВтч). ³ /МВтч (890 галлонов США/МВтч) для желобных электростанций. Это было выше эксплуатационного расхода воды (с градирнями) для АЭС на 2,7 м. ³ /МВтч (720 галлонов США/МВтч), уголь на высоте 2,0 м ³ /МВтч (530 галлонов США/МВтч) или природный газ на высоте 0,79 м. ³ /МВтч (210 галлонов США/МВтч). Исследование, проведенное в 2011 году Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, пришло к аналогичным выводам: для электростанций с градирнями расход воды во время работы составил 3,27 м3. ³ /МВтч (865 галлонов США/МВтч) для желоба CSP, 2,98 м ³ /МВтч (786 галлонов США/МВтч) для башни 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 галлонов США/МВтч) для природного газа. Ассоциация производителей солнечной энергии отметила, что электростанция CSP Nevada Solar One потребляет 3,2 м3 энергии. ³ /МВтч (850 галлонов США/МВтч). Проблема потребления воды обостряется, поскольку установки CSP часто расположены в засушливых районах, где воды не хватает.

В 2007 году Конгресс США поручил Министерству энергетики сообщить о способах сокращения потребления воды CSP. В последующем отчете отмечалось, что существует технология сухого охлаждения, которая, хотя и более дорогая 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. В отчете NREL за 2015 год отмечается, что из 24 действующих электростанций CSP в США на 4 используются системы сухого охлаждения. Четыре системы с сухим охлаждением — это три электростанции на солнечной электростанции Иванпа недалеко от Барстоу, Калифорния , и проект солнечной энергии Genesis в округе Риверсайд, Калифорния . Из 15 проектов CSP, находящихся на стадии строительства или разработки в США по состоянию на март 2015 года, 6 были мокрыми системами, 7 — сухими системами, 1 гибридной и 1 неуказанной системой.

Хотя многие старые теплоэлектростанции с прямоточным охлаждением или прудами-охладителями используют больше воды, чем CSP, а 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 использует 138 м3. ³ /МВтч (36 350 галлонов США/МВтч), но всего 0,95 м ³ /МВтч (250 галлонов США/МВтч) (менее одного процента) теряется в результате испарения. С 1970-х годов большинство электростанций США использовали рециркуляционные системы, такие как градирни, а не прямоточные системы.

Воздействие на дикую природу

Мертвая славка сгорела в воздухе на солнечной тепловой электростанции

Насекомых может привлекать яркий свет, создаваемый концентрированной солнечной технологией, и в результате птицы, охотящиеся на них, могут погибнуть от ожогов, если пролетят рядом с точкой, где фокусируется свет. Это также может повлиять на хищников , которые охотятся на птиц. Оппоненты цитируют федеральных чиновников по охране дикой природы, которые назвали электробашни Иванпы «мега-ловушками» для дикой природы.

Некоторые источники средств массовой информации сообщили, что концентрированные солнечные электростанции ранили или убили большое количество птиц из-за сильного тепла от концентрированных солнечных лучей. Некоторые из утверждений, возможно, были завышены или преувеличены.

По строгим данным, за шесть месяцев в Иванпе насчитали 133 певчих птицы. Благодаря фокусировке не более четырех зеркал на одном месте в воздухе в режиме ожидания в рамках проекта Crescent Dunes Solar Energy Project за три месяца уровень смертности упал до нуля.

См. также

• Дувр Сан Хаус
• Фотоэлектрический концентратор (CPV)
• Дневное освещение
• Список компаний-концентраторов солнечной тепловой энергетики
• Список солнечных тепловых электростанций
• Люминесцентный солнечный концентратор
• Пруд-испаритель соли
• Солнечное кондиционирование
• Солнечная тепловая энергия
• Солнечный тепловой коллектор
• Солнечное отопление воды
• Хранение тепловой энергии
• Термохимический цикл
• Приемник частиц

Внешние ссылки

• Концентрирующая солнечная электростанция
• Программа концентрации солнечной энергии NREL
• Солнечная платформа Альмерия, исследовательский центр CSP
• ISFOC (Институт концентрирующих фотоэлектрических систем)
• Балдизон, Роберто (5 марта 2019 г.). «Инновации в области концентрированной солнечной тепловой энергии» . Середина . Проверено 18 января 2020 г.