Параболический желоб

Параболический желобный коллектор (PTC) — это тип солнечного теплового коллектора , который прямой в одном измерении и изогнут в виде параболы в двух других, облицованный полированным металлическим зеркалом . Солнечный свет , попадающий в зеркало параллельно его плоскости симметрии, фокусируется вдоль фокальной линии , где расположены объекты, подлежащие нагреву. Например, в солнечной плите еда помещается на фокальную линию желоба, который готовится, когда корыто направлено так, чтобы Солнце находилось в его плоскости симметрии.

Для других целей трубка, содержащая жидкость, проходит по всей длине желоба по его фокальной линии. Солнечный свет концентрируется на трубке, и жидкость нагревается до высокой температуры за счет энергии солнечного света. Горячая жидкость может быть подана по трубопроводу к тепловому двигателю (например, ORC или пароводяному циклу Ренкина), который использует тепловую энергию для привода оборудования или для выработки электроэнергии. Этот коллектор солнечной энергии является наиболее распространенным и известным типом параболического желоба.

Когда теплоноситель используется для нагрева пара для привода стандартного турбогенератора, тепловой КПД составляет от 50 до 80%. Общий КПД от коллектора к сети, т.е. (выходная электрическая мощность)/(общая падающая солнечная энергия) составляет около 15%, что аналогично фотоэлектрическим элементам , но меньше, чем у Стирлинга тарельчатых концентраторов . Крупномасштабным солнечным теплоэлектростанциям необходим метод хранения энергии, например, термоклиновый резервуар, в котором для вытеснения значительной части объема резервуара используется смесь кварцевого песка и кварцитовой породы. Затем он заполняется жидким теплоносителем, обычно расплавленной нитратной солью .

По состоянию на 2014 год к крупнейшим солнечным теплоэнергетическим системам, использующим технологию параболического желоба, относятся электростанции SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, электростанция Solana мощностью 280 МВт с аккумулятором тепла в расплавленной соли мощностью 250 МВт , проект солнечной энергии Genesis , испанская солнечная электростанция Solaben мощностью 200 МВт. Станция и солнечная электростанция Andasol 1 . ^[1]^[2]

Эффективность

Впадина обычно располагается по оси север-юг и вращается, чтобы отслеживать движение Солнца по небу каждый день. В качестве альтернативы желоб можно расположить по оси восток-запад; это снижает общую эффективность коллектора из-за того, что солнечный свет падает на коллекторы под углом, но требует только, чтобы желоб был выровнен со сменой времен года , что позволяет избежать необходимости отслеживания двигателей. Этот метод отслеживания приближается к теоретической эффективности в дни весеннего и осеннего равноденствия с менее точной фокусировкой света в другое время года. Ежедневное движение Солнца по небу также вносит ошибки, наибольшие на восходе и закате и наименьшие в полдень. Из-за этих источников ошибок параболические желоба с сезонной поправкой обычно проектируются с приемочным продуктом с более низкой концентрацией .

Концентраторы с параболическими желобами имеют простую геометрию, но их концентрация составляет около 1/3 от теоретического максимума для того же приемного угла , то есть при одинаковых общих допусках системы ко всем видам ошибок, включая упомянутые выше. Теоретический максимум лучше достигается с помощью более сложных концентраторов, основанных на первично-вторичных конструкциях с использованием невизуирующей оптики. ^[3]^[4] что может почти удвоить концентрацию обычных параболических впадин. ^[5] и используются для улучшения практических конструкций, например, со стационарными приемниками. ^[6]

Жидкий теплоноситель (обычно термомасло ) проходит через трубку, поглощая концентрированный солнечный свет. Это увеличивает температуру жидкости примерно до 400 °C. ^[7] Жидкий теплоноситель затем используется для нагрева пара в стандартном турбогенераторе. Процесс экономичен и при нагреве трубы термический КПД составляет от 60 до 80%.Общий КПД от коллектора к сети, т.е. (выходная электрическая мощность)/(общая падающая солнечная энергия) составляет около 15%, что аналогично фотоэлектрическим элементам, но меньше, чем у Стирлинга тарельчатых концентраторов . ^[8]

Дизайн

Параболическая впадина имеет форму параболы в плоскости xy, но линейна в направлении z.

Параболический желоб состоит из нескольких модулей солнечных коллекторов ( SCM ), скрепленных вместе и перемещающихся как один блок солнечного коллектора ( SCA ). SCM может иметь длину до 15 метров (49 футов 3 дюйма) и более. Около дюжины или более SCM составляют длину каждого SCA до 200 метров (656 футов 2 дюйма). Каждый SCA представляет собой параболический желоб с независимым отслеживанием. ^[9]

СКМ может быть выполнен в виде цельного параболического зеркала или собран из нескольких зеркал меньшего размера, расположенных в параллельных рядах. Для изготовления модульных зеркал меньшего размера требуются машины меньшего размера, что снижает затраты. Стоимость также снижается в случае необходимости замены поврежденного зеркала. Такое повреждение может произойти из-за удара о какой-либо предмет во время плохой погоды.

Кроме того, существуют желоба V-образного типа, которые состоят из двух зеркал и расположены под углом друг к другу. ^[10]

В 2009 году ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и SkyFuel объединились для разработки больших изогнутых листов металла, которые потенциально могут быть на 30% дешевле, чем лучшие сегодняшние коллекторы концентрированной солнечной энергии, за счет замены стеклянных моделей серебряными . Полимерный лист, который имеет те же характеристики, что и тяжелые стеклянные зеркала, но при гораздо меньшей стоимости и весе. Кроме того, его гораздо проще перемещать и устанавливать. В глянцевой пленке используется несколько слоев полимеров, внутренний слой из чистого серебра. ^[11]

Поскольку этот возобновляемый источник энергии непостоянен по своей природе, были изучены методы хранения энергии, например, технология хранения в одном резервуаре ( термоклин ) для крупных солнечных тепловых электростанций. В резервуаре с термоклином используется смесь кварцевого песка икварцитовая порода для вытеснения значительной части объема резервуара. Затем он заполняется жидким теплоносителем, обычно расплавленной нитратной солью .

Закрытый корыто

Закрытая архитектура желоба инкапсулирует солнечную тепловую систему в теплице, похожей на теплицу. Теплица создает защищенную среду, способную противостоять элементам, которые могут повысить надежность и эффективность солнечной тепловой системы. ^[12]

Внутри теплицы подвешены легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечный свет. Одноосная система слежения позиционирует зеркала так, чтобы отслеживать солнце и фокусировать его свет на сети стационарных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. ^[13] Пар генерируется непосредственно с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода течет по длине труб, без теплообменников или промежуточных рабочих жидкостей.

Произведенный пар затем подается непосредственно в существующую парораспределительную сеть месторождения, где пар непрерывно закачивается глубоко в нефтяной пласт. Защита зеркал от ветра позволяет им достигать более высоких температур и предотвращает накопление пыли в результате воздействия влаги. ^[12] GlassPoint Solar , компания, создавшая конструкцию закрытого желоба, заявляет, что ее технология может производить тепло для повышения нефтеотдачи по цене около 5 долларов за миллион британских тепловых единиц в солнечных регионах по сравнению с 10–12 долларами для других традиционных солнечных тепловых технологий. ^[14]

Закрытые желоба в настоящее время используются на солнечной электростанции Мираа в Омане . В ноябре 2017 года GlassPoint объявила о партнерстве с Aera Energy , в рамках которого будут установлены параболические желоба на нефтяном месторождении Саут-Белридж , недалеко от Бейкерсфилда , Калифорния. ^[15]

Раннее коммерческое внедрение

В 1897 году Фрэнк Шуман , американский изобретатель, инженер и пионер солнечной энергетики, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, который работал за счет отражения солнечной энергии на квадратные коробки, наполненные эфиром, температура кипения которого ниже, чем у воды, и был оснащен внутри черными трубками. который, в свою очередь, приводил в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company с намерением построить более крупные солнечные электростанции. Он вместе со своим техническим консультантом АСЕ Акерманном и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойсом , ^{[ нужна ссылка ]} разработал улучшенную систему, использующую зеркала для отражения солнечной энергии на коллекторные коробки, увеличивая теплопроизводительность до такой степени, что теперь вместо эфира можно было использовать воду. Затем Шуман сконструировал полномасштабную паровую машину, работающую на воде низкого давления, что позволило ему к 1912 году запатентовать всю систему солнечного двигателя.

Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади , Египет, между 1912 и 1913 годами. На электростанции Шумана использовались параболические желоба для питания двигателя мощностью 45–52 киловатт (60–70 л.с. ), который перекачивал более 22 000 литров воды в минуту из Нила. Река до прилегающих хлопковых полей. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах препятствовало развитию солнечной энергии, концепция Шумана и базовый проект были возрождены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. ^[16] В 1916 году средства массовой информации цитировали Шумана, выступающего за использование солнечной энергии:

Мы доказали коммерческую выгоду от солнечной энергии в тропиках и, в частности, доказали, что после того, как наши запасы нефти и угля будут исчерпаны, человечество сможет получать неограниченную энергию от солнечных лучей.
- Фрэнк Шуман, New York Times, 2 июля 1916 г. ^[17]

Коммерческие заводы

Коммерческие установки, использующие параболические желоба, могут использовать тепловые аккумуляторы в ночное время, в то время как некоторые из них являются гибридами и используют природный газ в качестве вторичного источника топлива. В Соединенных Штатах количество ископаемого топлива, используемого для того, чтобы электростанция могла квалифицироваться как возобновляемый источник энергии, ограничено максимум 27% производства электроэнергии. ^{[ нужна ссылка ]} Поскольку они включают в себя охлаждающие станции, конденсаторы , аккумуляторы и другие устройства, помимо самих солнечных коллекторов, мощность, вырабатываемая на квадратный метр площади, сильно различается. ^{[ нужна ссылка ]}

По состоянию на 2014 год к крупнейшим солнечным теплоэнергетическим системам, использующим технологию параболического желоба, относятся электростанции SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, электростанция Solana мощностью 280 МВт с аккумулятором тепла в расплавленной соли мощностью 250 МВт , проект солнечной энергии Genesis , испанская солнечная электростанция Solaben мощностью 200 МВт. Станция и солнечная электростанция Andasol 1 . ^[1]^[2]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б NREL.gov Концентрация проектов солнечной энергетики в США , 17 февраля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б NREL-gov концентрирует проекты солнечной энергетики в Испании , 17 февраля 2014 г.
^ Чавес, Хулио (2015). Введение в неотображающую оптику, второе издание . ЦРК Пресс . ISBN 978-1-4822-0673-9 .
^ Роланд Уинстон и др., Оптика без изображения , Academic Press, 2004. ISBN 978-0-12-759751-5
^ Диого Канаварро и др., Новые концентраторы второй ступени (XX SMS) для параболических праймериз; Сравнение с обычными параболическими желобными концентраторами , Солнечная энергетика 92 (2013) 98–105.
^ Диого Канаварро и др., Бесконечно малый этендю и концентраторы с одновременными множественными поверхностями (SMS) для фиксированных приемных желобов , Solar Energy 97 (2013) 493–504
^ «Температура трубки абсорбера» . abengoasolar.es . Архивировано из оригинала 1 августа 2009 г.
^ Патель99 Глава 9
^ «Параболическая корыто» . www.gsenergy.eu. 6 декабря 2017 г.
^ Сон, Британская Колумбия (1 января 1978 г.). «Анализ солнечного концентратора с плоским зеркалом и V-образным желобом». доктор философии Диссертация . Бибкод : 1978PhDT.......157S – через НАСА ADS.
^ Гарри Турнемиль. «Отмеченные наградами солнечные отражатели сократят производственные затраты» . www.energyboom.com. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 25 ноября 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б Deloitte Touche Tohmatsu Ltd, «Прогнозы в области энергетики и ресурсов на 2012 год». Архивировано 6 января 2013 г. в Wayback Machine , 2 ноября 2011 г.
^ Хелман, Кристофер, «Масло от солнца» , «Forbes», 25 апреля 2011 г.
↑ Гуссенс, Эрен, «Chevron использует солнечно-термальный пар для добычи нефти в Калифорнии» , «Bloomberg», 3 октября 2011 г.
^ «GlassPojnt объявляет о проекте солнечной энергии в Белридже» .
^ Смит, Закари Олден; Тейлор, Катрина Д. (2008). Возобновляемые и альтернативные источники энергии: Справочник . АВС-КЛИО . п. 174 . ISBN 978-1-59884-089-6 .
^ Американский изобретатель использует солнце Египта для получения энергии; Прибор концентрирует тепловые лучи и производит пар, который можно использовать для привода ирригационных насосов в жарком климате , The New York Times , 2 июля 1916 г.

Библиография

Даффи, Джон; Уильямс Бекман (1991). Солнечная инженерия тепловых процессов (второе изд.). John Wiley & Sons, Inc. Нью-Йорк: ISBN 0-471-51056-4 .
Патель., Мукунд (1999). Ветровые и солнечные энергетические системы . Бока-Ратон Лондон Нью-Йорк Вашингтон, округ Колумбия: CRC Press. ISBN 0-8493-1605-7 .

Внешние ссылки

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

[nrel.gov-1] Jump up to: ^а ^б NREL.gov Концентрация проектов солнечной энергетики в США , 17 февраля 2014 г.

[ReferenceA-2] Jump up to: ^а ^б NREL-gov концентрирует проекты солнечной энергетики в Испании , 17 февраля 2014 г.

[IntroNio2e-3] Чавес, Хулио (2015). Введение в неотображающую оптику, второе издание . ЦРК Пресс . ISBN 978-1-4822-0673-9 .

[4] Роланд Уинстон и др., Оптика без изображения , Academic Press, 2004. ISBN 978-0-12-759751-5

[XXSMS-5] Диого Канаварро и др., Новые концентраторы второй ступени (XX SMS) для параболических праймериз; Сравнение с обычными параболическими желобными концентраторами , Солнечная энергетика 92 (2013) 98–105.

[XXcSMS-6] Диого Канаварро и др., Бесконечно малый этендю и концентраторы с одновременными множественными поверхностями (SMS) для фиксированных приемных желобов , Solar Energy 97 (2013) 493–504

[7] «Температура трубки абсорбера» . abengoasolar.es . Архивировано из оригинала 1 августа 2009 г.

[8] Патель99 Глава 9

[9] «Параболическая корыто» . www.gsenergy.eu. 6 декабря 2017 г.

[10] Сон, Британская Колумбия (1 января 1978 г.). «Анализ солнечного концентратора с плоским зеркалом и V-образным желобом». доктор философии Диссертация . Бибкод : 1978PhDT.......157S – через НАСА ADS.

[11] Гарри Турнемиль. «Отмеченные наградами солнечные отражатели сократят производственные затраты» . www.energyboom.com. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 25 ноября 2009 г.

[2012_pred-12] Jump up to: ^а ^б Deloitte Touche Tohmatsu Ltd, «Прогнозы в области энергетики и ресурсов на 2012 год». Архивировано 6 января 2013 г. в Wayback Machine , 2 ноября 2011 г.

[13] Хелман, Кристофер, «Масло от солнца» , «Forbes», 25 апреля 2011 г.

[ehren_chevron-14] Гуссенс, Эрен, «Chevron использует солнечно-термальный пар для добычи нефти в Калифорнии» , «Bloomberg», 3 октября 2011 г.

[15] «GlassPojnt объявляет о проекте солнечной энергии в Белридже» .

[16] Смит, Закари Олден; Тейлор, Катрина Д. (2008). Возобновляемые и альтернативные источники энергии: Справочник . АВС-КЛИО . п. 174 . ISBN 978-1-59884-089-6 .

[17] Американский изобретатель использует солнце Египта для получения энергии; Прибор концентрирует тепловые лучи и производит пар, который можно использовать для привода ирригационных насосов в жарком климате , The New York Times , 2 июля 1916 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]