Введение

Технология, используемая на солнечных электростанциях с концентрацией энергии

Параболический желоб – это тип солнечного теплового коллектора, который прямой в одном измерении и изогнут в форме параболы в двух других, облицованный полированным металлическим зеркалом. Солнечный свет, попадающий в зеркало параллельно плоскости симметрии, фокусируется вдоль фокальной линии, где размещаются объекты, предназначенные для нагрева. Например, в солнечной печи пища помещается в фокальную линию желоба, и готовится, когда желоб направлен так, чтобы Солнце находилось в его плоскости симметрии. Для других целей вдоль фокальной линии желоба проходит труба, заполненная жидкостью. Солнечный свет концентрируется на трубе, и жидкость нагревается до высокой температуры за счет энергии солнечного света. Нагретая жидкость может быть направлена в тепловой двигатель, который использует тепловую энергию для привода механизмов или для выработки электроэнергии. Этот солнечный коллектор является наиболее распространенным и известным типом параболического желоба. При использовании теплоносителя для нагрева пара, приводящего в действие стандартный турбогенератор, тепловая эффективность составляет от 60 до 80%. Общая эффективность от коллектора до сети, то есть (выходная электрическая мощность) / (общая падающая солнечная мощность), составляет около 15%, что сопоставимо с фотоэлектрическими элементами, но меньше, чем у концентраторов Стирлинга. Крупномасштабным солнечным тепловым электростанциям требуется метод хранения энергии, например, термоклиновый резервуар, который использует смесь кремнезема и кварцита для уменьшения значительной части объема резервуара. Затем он заполняется теплоносителем, обычно расплавленной нитратной солью. По состоянию на 2014 год крупнейшие солнечные тепловые энергетические системы, использующие технологию параболических желобов, включают в себя электростанции SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, генераторную станцию Solana мощностью 280 МВт с хранилищем тепла из расплавленной соли, проект солнечной энергии Genesis мощностью 250 МВт, испанскую солнечную электростанцию Solaben мощностью 200 МВт и солнечную электростанцию Andasol 1.

Эффективность

Обычно желоб ориентируется по оси север-юг и поворачивается для отслеживания движения солнца по небу в течение дня. В качестве альтернативы, желоб может быть ориентирован по оси восток-запад; это снижает общую эффективность коллектора из-за того, что солнечный свет падает на коллекторы под углом, но требует лишь ориентации желоба в соответствии со сменой сезонов, избегая необходимости в следящих двигателях. Этот метод отслеживания приближается к теоретической эффективности в дни весеннего и осеннего равноденствия, но обеспечивает менее точную фокусировку света в другое время года. Ежедневное движение солнца по небу также вносит погрешности, наибольшие на восходе и закате и наименьшие в полдень. Из-за этих источников ошибок сезонно корректируемые параболические желоба обычно проектируются с более низким произведением концентрации и угла акцептанса. Параболические желобные концентраторы имеют простую геометрию, но их концентрация составляет около 1/3 теоретического максимума при том же угле акцептанса, то есть при тех же общих допусках системы ко всем видам ошибок, включая вышеупомянутые. Теоретический максимум лучше достигается с помощью более сложных концентраторов, основанных на схемах с первичным и вторичным зеркалами, использующих безобразную оптику, которая может почти вдвое увеличить концентрацию обычных параболических желобов и используется для улучшения практических конструкций, таких как конструкции с фиксированными приемниками. Теплоноситель (обычно тепловое масло) циркулирует по трубке для поглощения концентрированного солнечного света. Это повышает температуру жидкости примерно до 400 °C. Затем теплоноситель используется для нагрева пара в стандартном турбогенераторе. Этот процесс экономичен, и для нагрева трубопровода тепловая эффективность составляет от 60 до 80%. Общая эффективность от коллектора до сети, то есть (выходная электрическая мощность) / (общая падающая солнечная мощность), составляет около 15%, что сопоставимо с фотоэлектрическими элементами (PV), но меньше, чем у концентраторов Стирлинга.

Дизайн

Параболический желоб состоит из нескольких модулей солнечных коллекторов (СКМ), соединенных вместе для совместного движения как единый узел солнечных коллекторов (УСК). Длина одного СКМ может достигать или превышать . Каждый УСК состоит примерно из дюжины или более СКМ и имеет длину до . Каждый УСК является независимо отслеживающим параболическим желобом. СКМ может быть изготовлен как цельное параболическое зеркало или собран из нескольких небольших зеркал, расположенных параллельными рядами. Использование небольших модульных зеркал требует менее сложного оборудования для их изготовления, что снижает стоимость. Также снижаются затраты в случае необходимости замены поврежденного зеркала, которое может быть повреждено, например, при попадании посторонних предметов во время неблагоприятных погодных условий. Кроме того, существуют желоба V-образной формы, состоящие из двух зеркал, расположенных под углом друг к другу. В 2009 году ученые из Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (NREL) и SkyFuel объединили усилия для разработки больших изогнутых металлических листов, которые потенциально могут быть на 30% дешевле современных коллекторов концентрированной солнечной энергии. Это достигается за счет замены моделей на основе стекла серебряным полимерным листом, обладающим той же эффективностью, что и тяжелые стеклянные зеркала, но при значительно меньшей стоимости и весе. Такой лист также легче транспортировать и устанавливать. Глянцевая пленка состоит из нескольких слоев полимеров, с внутренним слоем из чистого серебра. Поскольку этот возобновляемый источник энергии по своей природе непостоянен, изучались методы накопления энергии, например, технология хранения в однокамерном резервуаре (термоклине) для крупномасштабных солнечных тепловых электростанций. В термоклиновой конструкции резервуара используется смесь кремнезема и кварцита для уменьшения объема резервуара. Затем резервуар заполняется теплоносителем, как правило, расплавленной нитратной солью.

Закрытый кормовой

В архитектуре закрытого корыта солнечная тепловая система помещена внутри теплицы, представляющей собой остеклённую конструкцию. Теплица создает защищенную среду, устойчивую к воздействию неблагоприятных погодных условий, что повышает надежность и эффективность солнечной тепловой системы. Внутри теплицы подвешены легкие изогнутые зеркала, отражающие солнечный свет. Система слежения за солнцем по одной оси позиционирует зеркала таким образом, чтобы они отслеживали солнце и фокусировали его лучи на сеть неподвижных стальных труб, также подвешенных к конструкции теплицы. Пар генерируется непосредственно с использованием воды нефтяного качества, поскольку вода протекает вдоль труб без теплообменников или промежуточных теплоносителей. Образовавшийся пар затем подается непосредственно в существующую парораспределительную сеть месторождения, где он непрерывно закачивается в нефтяной пласт. Защита зеркал от ветра позволяет им достигать более высоких температур и предотвращает оседание пыли из-за воздействия влажности. В настоящее время закрытые корыта используются на солнечной установке Miraah в Омане. В ноябре 2017 года GlassPoint объявила о партнерстве с Aera Energy, в результате которого параболические корыта будут внедрены на нефтяном месторождении South Belridge Oil Field, расположенном недалеко от Бейкерсфилда, штат Калифорния.

Раннее коммерческое принятие

В 1897 году Фрэнк Шуман, американский изобретатель, инженер и пионер в области солнечной энергетики, построил небольшой демонстрационный солнечный двигатель, работавший за счет отражения солнечной энергии на квадратные ящики, заполненные эфиром, имеющим более низкую температуру кипения, чем у воды, и оснащенные внутри черными трубами, которые, в свою очередь, приводили в действие паровой двигатель. В 1908 году Шуман основал компанию Sun Power Company с целью строительства более крупных солнечных электростанций. Вместе со своим техническим консультантом А. С. Э. Акерманом и британским физиком сэром Чарльзом Верноном Бойсом он разработал усовершенствованную систему, использующую зеркала для отражения солнечной энергии на коллекторные ящики, увеличивая тепловую мощность до такой степени, что вместо эфира теперь можно было использовать воду. Затем Шуман построил полномасштабный паровой двигатель, работающий на воде низкого давления, что позволило ему запатентовать всю систему солнечного двигателя к 1912 году. Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию в Маади, Египет, в период с 1912 по 1913 год. На станции 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 реки Нил на соседние хлопковые поля. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах замедлили развитие солнечной энергетики, видение и базовая конструкция Шумана были возрождены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии. В 1916 году Шуман был процитирован в прессе, выступая за использование солнечной энергии, заявив:

Коммерческие растения

Коммерческие электростанции, использующие параболические желоба, могут использовать аккумулирование тепла ночью, а некоторые являются гибридными и используют природный газ в качестве дополнительного источника топлива. В Соединенных Штатах доля ископаемого топлива, используемого для квалификации электростанции как источника возобновляемой энергии, ограничена максимальным значением в 27% от объема выработки электроэнергии. Поскольку они включают в себя охладительные станции, конденсаторы, аккумуляторы и другие компоненты, помимо собственно солнечных коллекторов, выработка электроэнергии на квадратный метр площади значительно различается. По состоянию на 2014 год крупнейшими солнечными тепловыми электростанциями, использующими технологию параболических желобов, являются станции SEGS мощностью 354 МВт в Калифорнии, генераторная станция Solana мощностью 280 МВт с аккумулированием тепла в расплавленной соли, проект солнечной энергии Genesis мощностью 250 МВт, испанская солнечная электростанция Solaben мощностью 200 МВт и солнечная электростанция Andasol 1.