Кіріспе
Концентрацияланған күн электр станцияларында қолданылатын технология. Параболалық жота – бірөлшемде түзу, ал қалған екі өлшемде парабола пішіндес иілген, жылтыратылған металл айнамен қапталған күн жылу коллекторының бір түрі. Айнаға симметрия жазықтығына параллель түсетін күн сәулесі ошақ сызығы бойымен шоғырланады, онда жылытылатын объектілер орналастырылған. Мысалы, күн пешінде тағам жотаның ошақ сызығына орналастырылады және жота Күннің симметрия жазықтығына бағытталғанда пісіріледі. Басқа мақсаттар үшін, сұйықтыққа толы құбыр жотаның ошақ сызығы бойымен созылады. Күн сәулесі құбырға шоғырланады және сұйықтық күн сәулесінің энергиясымен жоғары температураға дейін қыздырылады. Ыстық сұйықтықты жылу машинасына жіберуге болады, ол жылу энергиясын машиналарды қозғалтуға немесе электр энергиясын өндіруге пайдаланады. Бұл күн энергиясын жинағыш параболалық жотаның ең көп таралған және жақсы танымал түрі болып табылады. Жылу тасымалдау сұйықтығы стандартты турбина-генераторды іске қосу үшін буды қыздыру үшін қолданылса, жылу тиімділігі 60-80% аралығында болады. Коллектордан желіге дейінгі жалпы тиімділік, яғни (электрлік шығыс қуаты)/(барлық түскен күн қуаты) шамамен 15% құрайды, бұл фотоэлектрлік элементтерге ұқсас, бірақ Стирлинг табақшасы концентраторларынан төмен. Ірі көлемді күн жылу электр станцияларына энергияны сақтау әдісі қажет, мысалы, термоклиндік резервуар, ол кремний құмы мен кварцит тасының қоспасын пайдаланады, резервуардың көлемінің айтарлық бөлігін ығыстырады. Содан кейін ол әдетте балқыған нитрат тұзы болатын жылу тасымалдау сұйықтығымен толтырылады. 2014 жылғы деректер бойынша, параболалық жота технологиясын пайдаланатын ең ірі күн жылу электр жүйелеріне Калифорниядағы 354 МВт SEGS электр станциялары, балқытылған тұзды жылу сақтағышы бар 280 МВт Solana генерациялық станциясы, 250 МВт Genesis күн энергиясы жобасы, испандық 200 МВт Solaben күн электр станциясы және Andasol 1 күн электр станциясы кіреді.
A parabolic trough is a type of solar thermal collector that is straight in one dimension and curved as a parabola in the other two, lined with a polished metal mirror. The sunlight which enters the mirror parallel to its plane of symmetry is focused along the focal line, where objects are positioned that are intended to be heated. In a solar cooker, for example, food is placed at the focal line of a trough, which is cooked when the trough is aimed so the Sun is in its plane of symmetry. For other purposes, a tube containing a fluid runs the length of the trough at its focal line. The sunlight is concentrated on the tube and the fluid heated to a high temperature by the energy of the sunlight. The hot fluid can be piped to a heat engine, which uses the heat energy to drive machinery, or to generate electricity. This solar energy collector is the most common and best known type of parabolic trough. When heat transfer fluid is used to heat steam to drive a standard turbine generator, thermal efficiency ranges from 60 80%. The overall efficiency from collector to grid, i. e. (electrical output power)/(total impinging solar power) is about 15%, similar to photovoltaic cells but less than Stirling dish concentrators. Large scale solar thermal power plants need a method for storing the energy, such as a thermocline tank, which uses a mixture of silica sand and quartzite rock to displace a significant portion of the volume in the tank. It is then filled with the heat transfer fluid, typically a molten nitrate salt. As of 2014, the largest solar thermal power systems using parabolic trough technology include the 354 MW SEGS plants in California, the 280 MW Solana Generating Station with molten salt heat storage, the 250 MW Genesis Solar Energy Project, the Spanish 200 MW Solaben Solar Power Station, and the Andasol 1 solar power station.
Тиімділік
Қазан әдетте солтүстік-оңтүстік оспен бағытталған және күн аспанда жылғалыстарын қадағалау үшін күн сайын айналады. Балама ретінде, қазанды шығыс-батыс оспен бағыттауға болады; бұл коллектордың жалпы тиімділігін төмендетеді, себебі күн сәулесі коллекторларға бұрышпен түседі, бірақ қазанды маусымдардың өзгеруіне сәйкес бағыттауды қажет етеді, бұл орама двигательдерін пайдалану қажеттілігін жояды. Бұл қадағалау әдісі көктемгі және күзгі күн мен түн теңелу кезінде теориялық тиімділікке жақындайды, бірақ жылдың басқа уақыттарында жарықтың фокусталуы нашарлайды. Күннің күндізгі қозғалысы да қателерге әкеледі, олар күн шығысы мен батысында ең жоғары, ал түскі уақытта ең төмен болады. Осы қателердің болуына байланысты, маусымдық реттелген параболалық қазандар әдетте төменгі концентрациялық қабылдау коэффициентімен жобаланады. Параболалық қазан концентраторларының геометриясы қарапайым, бірақ олардың концентрациясы бірдей қабылдау бұрышы үшін теориялық максимумның шамамен 1/3 бөлігін құрайды, яғни жүйенің жоғарыда аталған қателерді қоса, барлық түрлі қателерге төзімділігі үшін. Теориялық максимумқа бейнелеуге жатпайтын оптиканы қолданатын, негізгі-қосымша конструкцияларға негізделген күрделірек концентраторлармен қол жеткізуге болады, олар дәстүрлі параболалық қазандардың концентрациясын екі есеге дейін арттыра алады және тұрақты қабылдағыштармен жабдықталған практикалық конструкцияларды жақсарту үшін қолданылады. Жылу тасымалдағыш (әдетте термиялық май) түтік арқылы өтіп, шоғырланған күн сәулесін сіңіреді. Бұл сұйықтықтың температурасын шамамен 400°C-қа дейін көтереді. Жылу тасымалдағыш сұйықтығы стандартты турбина-генераторда буды қыздыру үшін қолданылады. Бұл процесс экономикалық тиімді және құбырларды қыздыру үшін жылу тиімділігі 60-80% аралығында. Коллектордан желіге дейінгі жалпы тиімділік, яғни (электрлік шығыс қуаты)/(күннің жалпы түсетін қуаты) шамамен 15% құрайды, бұл фотоэлектрлік элементтерге (ФЭЭ) ұқсас, бірақ Стирлинг табақша концентраторларынан төмен.
Дизайн
Параболалық суағар бірнеше күн коллекторлары модульдерінен (SCM) құралған, олар бір-бірімен бекітіліп, бір күн коллекторлары жиынтығы (SCA) ретінде қозғалады. SCM ұзындығы немесе одан да көп болуы мүмкін. Әрбір SCA шамамен он екі немесе одан да көп SCM-нан құрастырылады. Әрбір SCA – тәуелсіз түрде бағытталмалы параболалық суағар. SCM бір бөліктен тұратын параболалық айна немесе қатарластырылған бірнеше кішігірім айналардан құрастырылуы мүмкін. Кішігірім модульді айналарды жасау үшін кішірек машиналар қажет, бұл шығындарды азайтады. Зақымдалған айнаны ауыстыру қажет болған жағдайда да шығындар төмендейді. Мұндай зақымдану нашар ауа-райы кезінде дененің тиюінен туындауы мүмкін. Сонымен қатар, V-тәрізді суағарлар да бар, олар екі айнадан жасалған және бір-біріне бұрышпен орналасқан. 2009 жылы Ұлттық жаңартылатын энергия зертханасының (NREL) және SkyFuel ғалымдары шыны негізді модельдерді күміс полимерлік қабатпен алмастыру арқылы қазіргі кездегі ең жақсы шоғырланған күн энергиясын жинақтаушылардан 30%-ға арзан болуы мүмкін үлкен иілгіш металл қабаттарын жасау үшін бірікті. Бұл қабат ауыр шыны айналармен салыстырылатын өнімділікке ие, бірақ әлдеқайда төмен бағамен және салмақпен. Оны жылжыту және орнату да оңай. Жылтыр қабат бірнеше полимерлік қабаттардан тұрады, ал ішкі қабаты таза күміс. Бұл жаңартылатын энергия көзінің тұрақсыздығын ескере отырып, энергияны сақтау әдістері зерттелді, мысалы, ірі күн жылу электр станциялары үшін бір резервуарлы (термоклин) сақтау технологиясы. Термоклин резервуар тәсілінде резервуар көлемінің көп бөлігін ығыстыру үшін кремний құмы мен кварцит тасы қоспасы қолданылады. Содан кейін ол жылу тасымалдағыш сұйықтықпен, әдетте, балқыған нитрат тұзымен толтырылады.
quartzite rock to displace a significant portion of the volume in the tank. Then it is filled with the heat transfer fluid, typically a molten nitrate salt.
Жабық ыдыс
Жабық лотокты құрылым күн жылу жүйесін жылыжай сияқты шыны үйге орналастырады. Шыны үй күн жылу жүйесінің сенімділігі мен тиімділігін арттыратын сыртқы факторларға төтеп беру үшін қорғалған орта жасайды. Шыны үйдің ішінде жеңіл қисайған күн сәулесін шағылыстыратын айналар ілінген. Бір осьті іздеу жүйесі айналарды күнге бағыттап, оның сәулесін стационарлық болат құбырлар желісіне шоғырландырады, бұл құбырлар да шыны үй құрылымынан ілінген. Бу мұнай кен орны сапалы суды пайдалану арқылы тікелей өндіріледі, су құбырлардың бойымен ағып, жылу алмастырғыштар немесе аралық жұмыс сұйықтықтары қолданылмайды. Өндірілген бу тікелей мұнай кен орнының қолданыстағы бу тарату желісіне жіберіледі, онда бу мұнай қорына үнемі тереңдей соғылады. Айналарды желден қорғау олардың жоғары температураға жетуіне мүмкіндік береді және ылғалдан туындаған шаң жиналуын болдырмайды. Жабық лотоктар қазір Оманның Мираа күн станциясында қолданылуда. 2017 жылдың қараша айында GlassPoint компаниясы Aera Energy компаниясымен серіктестікке келісіп, Бэйкерсфилд, Калифорния маңындағы Саут Белридж мұнай кен орнына күн лотоктарын енгізуге ұйғарды.
Ерте коммерциялық қабылдау
1897 жылы американдық өнертапқыш, инженер және күн энергиясының негізін қалаушы Франк Шуман күн энергиясын судан төмен қайнау температурасы бар эфирмен толтырылған шаршы қораптарға шоғырландырып, жұмыс істейтін кішкентай демонстрациялық күн қозғалтқышын жасады. Бұл қозғалтқыш ішінде қара түсті құбырлармен жабдықталған, олар бу қозғалтқышын қуаттандырды. 1908 жылы Шуман үлкен күн электр станцияларын салу мақсатымен Sun Power компаниясын құрды. Ол өзінің техникалық кеңесшісі А. С. Э. Акерманмен және британдық физик сэр Чарльз Вернон Бойзбен бірге күн энергиясын коллекторлық қораптарға шоғырландыруға арналған жақсартылған жүйені әзірледі, бұл жылу сыйымдылығын остіктей арттырып, эфирдің орнына суды пайдалануға мүмкіндік берді. Содан кейін Шуман төмен қысымды сумен жұмыс істейтін толық көлемді бу қозғалтқышын жасап, 1912 жылға дейін бүкіл күн қозғалтқышы жүйесін патенттеді. Шуман 1912-1913 жылдары Мысырдың Маади қаласында әлемдегі алғашқы күн жылу электр стансасын салды. Шуманның зауыты 45 52 киловатт (60 70 а.к.) қуаттылықтағы қозғалтқышты қуаттандыру үшін параболалық ойыстарды пайдаланды, ол Ніл өзенінен жақын маңдағы мақта далаларына минутына 22 000 литрден астам су сорды. Бірінші дүниежүзілік соғыс пен 1930 жылдары арзан мұнайдың табылуы күн энергиясының дамуын тежесе де, Шуманның көзқарасы мен негізгі дизайны 1970 жылдары күн жылу энергиясына жаңа қызығушылық туған кезде қайта жанданды. 1916 жылы Шуман күн энергиясын пайдалануды қолдап, бұқаралық ақпарат құралдарында былай деді:
Коммерциялық өсімдіктер
Параболалық ойыстарды пайдаланатын коммерциялық электр стансалары түнде жылуды сақтауға қолданылуы мүмкін, ал кейбіреулері гибридтік болып табылады және қосымша отын көзі ретінде табиғи газды қолдайды. АҚШ-та электр стансасы жаңартылатын энергия көзі ретінде танылуы үшін қолданылатын қазба отынының мөлшері электр өндірісінің 27%-дан аспауы тиіс. Олар салқындату стансалары, конденсаторлар, аккумуляторлар және күн коллекторларынан басқа да жабдықтарды қамтитындықтан, бір шаршы метр аумақтан алынатын қуаттың мөлшері өте әртүрлі болады. 2014 жылғы мәліметтер бойынша, параболалық ойыс технологиясын пайдаланатын ең ірі күн жылу электр жүйелеріне Калифорниядағы 354 МВт SEGS электр стансалары, балқытылған тұзды жылу сақтағышы бар 280 МВт Solana генерациялық стансасы, 250 МВт Genesis күн энергиясы жобасы, испандық 200 МВт Solaben күн электр стансасы және Andasol 1 күн электр стансасы кіреді.