塔式熱能太陽能發電廠、太陽能聚光系統

太陽是一種極其“清潔”的能源。今天，在世界各地，利用太陽的工作正在向多個方向發展。首先，所謂的小電力行業正在發展，主要包括建築采暖和供熱。但是在大規模能源領域已經採取了認真的步驟——太陽能發電廠正在光轉換和熱轉換的基礎上建立起來。在本文中，我們將從第二個方向向您介紹車站的前景。

聚光太陽能發電技術，在世界範圍內被稱為CSP（Concentrated Solar Power），是一種利用鏡子或透鏡將大量太陽光集中到一個小區域的太陽能發電廠。

CSP 不應與聚光光伏相混淆——也稱為 CPV（聚光光伏）。在 CSP 中，集中的太陽光被轉化為熱能，然後熱能被轉化為電能。另一方面，在 CPV 中，集中的陽光通過 光電效應.

太陽能聚光器的工業用途

太陽能

太陽向地球方向發出強大的輻射能流。即使我們考慮到其中 2/3 被大氣層反射和散射，地球表面在 12 個月內仍然接收到 1018 千瓦時的能量，這是世界一年消耗的能量的 20,000 倍。

很自然地，將這種取之不盡、用之不竭的能源用於實際目的似乎總是很誘人。然而，時間流逝，尋找能量的人類創造了熱機，堵塞了河流，分裂了一個原子，而太陽繼續等待著。

為什麼控制他的能量這麼難？首先，白天太陽輻射強度變化大，消費極為不便。這意味著太陽能站必須安裝電池或與其他來源一起工作。但這仍然不是最大的缺點。更糟糕的是，地球表面的太陽輻射密度非常低。

所以在俄羅斯南部地區，它只有 900 — 1000 W/m2...這僅足以將最簡單的收集器中的水加熱到不超過 80 — 90 °C 的溫度。

它適用於熱水供應和部分供暖，但絕不用於發電。這裡需要更高的溫度。要提高磁通密度，就需要大面積收集，由散變集中。

太陽能聚光系統的能源生產

聚光太陽能的方法自古以來就為人所知。關於偉大的阿基米德如何在公元前3世紀借助凹面拋光銅鏡燒毀圍攻它的羅馬艦隊的傳說一直流傳至今。 NS。雪城。儘管這個傳說沒有得到歷史文獻的證實，但在拋物面鏡的焦點中將任何物質加熱到 3500 — 4000 ° C 的可能性是一個不爭的事實。

使用拋物面鏡產生有用能量的嘗試始於 19 世紀下半葉。在美國、英國和法國進行了特別密集的工作。

美國洛杉磯使用太陽熱能的實驗性拋物面鏡（約 1901 年）。

1866 年，Augustin Mouchaud 在第一台太陽能蒸汽機中使用拋物線圓柱體產生蒸汽。

A. Mouchaud 的太陽能發電廠於 1882 年在巴黎世界工業展覽會上展出，給同時代的人留下了深刻的印象。

1886 年，意大利人亞歷山德羅·巴塔利亞 (Alessandro Battaglia) 在熱那亞（意大利）獲得了太陽能收集器的第一項專利。在接下來的幾年裡，約翰·埃里克森 (John Erickson) 和弗蘭克·舒曼 (Frank Schumann) 等發明家開發了通過集中太陽能進行灌溉、冷卻和運動的設備。

太陽能發動機，1882 年

弗蘭克舒曼在開羅的太陽能發電廠

1912 年，第一座容量為 45 千瓦的太陽能發電廠在開羅附近建成，總面積為 1200 平方米的拋物柱形聚光器用於灌溉系統。管子放置在每個鏡子的焦點處。太陽光線集中在它們的表面。管道中的水變成蒸汽，被收集在一個公共收集器中並輸送到蒸汽機。

總的來說，應該指出的是，在這個時期，許多人都相信鏡子具有神奇的聚焦能力。 A. 托爾斯泰的小說《工程師加林的雙曲面》成為這些希望的一種證明。

事實上，在許多行業中，這種鏡子被廣泛使用。根據這一原則，許多國家建造了熔煉高純耐火材料的熔爐。例如，法國擁有世界上最大的烤箱，容量為 1 兆瓦。

發電裝置又如何呢？在這裡，科學家們面臨著許多困難。首先，具有復雜鏡面的聚焦系統的成本非常高。此外，隨著反射鏡尺寸的增加，成本呈指數級增長。

另外，製造一面面積為 500 — 600 m2 的鏡子在技術上是有難度的，您從中獲得的功率不超過 50 kW。顯然，在這些條件下，太陽能接收器的單位功率受到顯著限制。

還有一個關於曲面鏡系統的更重要的考慮因素。原則上，相當大的系統可以由單獨的模塊組裝而成。

對於這種類型的當前安裝，請參見此處： 使用太陽能聚光器的例子

加利福尼亞州哈珀湖附近的洛克哈特集中太陽能發電廠使用的拋物線槽（莫哈維太陽能項目）

許多國家都建造了類似的發電廠。然而，他們的工作有一個嚴重的缺點——難以收集能量。畢竟，每一面鏡子的焦點處都有自己的蒸氣發生器，而且它們都散佈在很大的面積上。這意味著必須從許多太陽能接收器收集蒸汽，這極大地複雜化並增加了電站的成本。

太陽能塔

甚至在戰前年代，工程師 N. V. Linitsky 就提出了在高塔（塔式太陽能發電廠）上安裝中央太陽能接收器的熱能太陽能發電廠的想法。

在 1940 年代後期，國家能源研究所 (ENIN) 的科學家以 V.I. 的名字命名。 G. M. Krzhizhanovsky、R. R. Aparisi、V. A. Baum 和 B. A. Garf 為創建這樣一個站開發了一個科學概念。他們提議放棄複雜昂貴的曲面鏡，代之以最簡單的平面定日鏡。

塔式太陽能發電廠的運行原理非常簡單。太陽光線被多個定日鏡反射，並被引導到中央接收器的表面——一個放置在塔上的太陽能蒸汽發生器。

根據太陽在天空中的位置，定日鏡的方向也會自動改變。因此，一整天，由數百面鏡子反射的集中陽光為蒸汽發生器供暖。

使用拋物線聚光器的 SPP 設計、帶有圓盤聚光器的 SPP 和塔式 SPP 之間的區別

這個解決方案原來和原來一樣簡單。但最重要的是，從原則上講，建立單位功率為數十萬千瓦的大型太陽能發電廠成為可能。

從那時起，塔式太陽能熱電廠的概念得到了全世界的認可。僅在 20 世紀 70 年代後期，美國、法國、西班牙、意大利和日本才建成容量為 0.25 至 10 兆瓦的電站。

法國東比利牛斯山脈的 SES Themis 太陽能塔

根據這個蘇聯項目，1985 年在克里米亞的 Shtelkino 市附近，建造了一座容量為 5 兆瓦 (SES-5) 的實驗性塔式太陽能發電廠。

在 SES-5 中，使用了一個開放式圓形太陽能蒸汽發生器，正如他們所說，其表面對所有風都是開放的。因此，在低環境溫度和高風速下，對流損失急劇增加，效率顯著下降。

現在認為腔式接收器效率更高。在這裡，蒸汽發生器的所有表面都是封閉的，因此對流和輻射損失急劇減少。

由於蒸汽參數較低（250 °C 和 4MPa），SES-5 的熱效率僅為 0.32。

經過 10 年的運營，1995 年克里米亞的 SES-5 關閉，2005 年該塔被移交報廢。

理工學院博物館中的 SES-5 模型

目前運行的塔式太陽能發電廠採用新設計和系統，使用熔鹽（40% 硝酸鉀、60% 硝酸鈉）作為工作流體。這些工作流體比海水俱有更高的熱容量，海水在第一批實驗裝置中使用。

現代太陽能熱電廠技術圖

現代塔式太陽能發電廠

當然，太陽能電站是一門新的複雜的生意，自然有足夠多的對手。他們表達的很多質疑都有很好的理由，但很難與其他人達成一致。

例如，人們常說建設塔式太陽能電站需要大面積的土地。但是，不能排除為傳統發電廠的運行生產燃料的地區。

還有另一個更有說服力的案例支持塔式太陽能發電廠。水力發電廠人工水庫淹沒土地的比面積為169公頃/兆瓦，比此類太陽能發電廠的指標高出許多倍。此外，在水力發電廠建設過程中，非常寶貴的肥沃土地經常被淹沒，而塔式 SPP 應該建在沙漠地區——既不適合農業也不適合建設工業設施的土地上。

批評塔式 SPP 的另一個原因是它們的高材料消耗。甚至懷疑SES是否能夠在預計的運營期間收回用於生產設備和獲取用於其建設的材料所花費的能源。

事實上，此類裝置需要大量材料，但重要的是，現代太陽能發電廠所用的幾乎所有材料都不短缺。在第一座現代塔式太陽能發電廠啟動後進行的經濟計算表明，它們的效率很高，投資回收期也相當有利（參見下文中經濟上成功的項目示例）。

另一個提高塔式太陽能發電廠效率的儲備是建立混合發電廠，其中太陽能發電廠將與傳統燃料的傳統熱電廠一起工作。在聯合發電廠，在強烈的太陽輻射時，燃料在多雲天氣和峰值負載時，工廠會降低功率並“加速”。

現代太陽能發電廠的例子

2008 年 6 月，Bright Source Energy 在以色列的內蓋夫沙漠開設了一家太陽能開發中心。

在它所在的網站上 在 Rotema 工業園區，已經安裝了 1,600 多個定日鏡，它們跟隨太陽並將光線反射到 60 米高的太陽能塔上。然後，集中的能量用於將塔頂的鍋爐加熱到 550°C，產生的蒸汽被送到渦輪機發電。電廠容量 5 兆瓦。

2019 年，同一家公司在內蓋夫沙漠建造了一座新發電廠——阿沙林… Toya 該電廠由三個部分組成，採用三種不同的技術，結合了三種能源：太陽能熱能、光伏能源和天然氣（混合發電廠）。太陽能塔的裝機容量為121兆瓦。

該站包括 50,600 個計算機控制的定日鏡，足以為 120,000 個家庭供電。塔高260米。它是世界上最高的，但最近被穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽能公園的 262.44 米高的太陽能塔超越。

以色列內蓋夫沙漠的一座發電廠

2009年夏天，美國eSolar公司建造了一座太陽能塔 西拉太陽能塔 位於洛杉磯以北約80公里的加利福尼亞州蘭開斯特市的一座5兆瓦發電廠，該發電廠佔地約8公頃，位於北緯35°莫哈韋沙漠以西的干旱山谷中。

西拉太陽能塔

截至 2009 年 9 月 9 日，以現有發電廠為例，估計建造塔式太陽能發電廠 (CSP) 的成本為每瓦 2.5 美元至 4 美元，而燃料（太陽輻射）是免費的.因此，建造這樣一座容量為 250 兆瓦的電廠需要 600 至 10 億美元。這意味著從 0.12 到 0.18 美元/千瓦時。

還發現，新的 CSP 工廠可以在經濟上與化石燃料競爭。

彭博新能源財經分析師納撒尼爾布拉德估計，2014 年啟動的 Iwanpa 太陽能發電廠的發電成本低於 光伏電站, 幾乎與天然氣發電廠的電力相同。

目前最著名的太陽能發電廠是發電廠 金馬太陽能 容量為 19.9 兆瓦，位於安達盧西亞（西班牙）埃西亞市以西。 2011 年 10 月 4 日，西班牙國王胡安卡洛斯為該發電廠揭幕。

寶石太陽能發電廠

這個項目獲得了歐盟委員會 500 萬歐元的資助，使用了美國公司 Solar Two 測試的技術：

• 總面積達29.8萬平方米的2493個定日鏡採用了反射率更好的玻璃，其簡化的設計使生產成本降低了45%。

• 一個更大的熱能儲存系統，容量為 8,500 噸熔鹽（硝酸鹽），在沒有陽光的情況下提供 15 小時（約 250 兆瓦時）的自主權。

• 改進的泵設計使鹽可以直接從儲罐中泵出，無需集水槽。

• 包括蒸汽強制再循環的蒸汽發生系統。

• 汽輪機壓力更高，效率更高。

• 簡化熔鹽循環迴路，將所需閥門數量減半。

發電廠（塔和定日鏡）總佔地面積190公頃。

SPP Gemasolar 太陽能塔

阿文戈亞建造了 嘿晴天 在南非 — 一座高 205 米、容量為 50 兆瓦的發電站。開幕式於2013年8月27日舉行。

嘿晴天

伊万帕太陽能發電系統 — 一座 392 兆瓦 (MW) 的太陽能發電廠，位於拉斯維加斯西南 40 英里的加利福尼亞州莫哈韋沙漠。該電廠於 2014 年 2 月 13 日投產。

伊万帕太陽能發電系統

該SPP的年產量可滿足14萬戶家庭的消費。安裝了 173,500 個定日鏡，將太陽能聚焦到位於三個中央太陽能塔上的蒸汽發生器上。

2013年3月，與Bright Source Energy簽訂協議建設電廠 燒焦 位於加利福尼亞州，由兩座 230 米塔（每座 250 兆瓦）組成，計劃於 2021 年投產。

其他運營中的塔式太陽能發電廠：Solar Park（迪拜，2013 年）、Nur III（摩洛哥，2014 年）、Crescent Dunes（美國內華達州，2016 年）、SUPCON Delingha 和首航敦煌（Kathai，均為 2018 年）、共和、魯能海西和哈密（中國，2019 年），Cerro Dominador（智利，2021 年 4 月）。

太陽能的創新解決方案

由於這項技術在日照（太陽輻射）高的地區效果最好，專家預測，塔式太陽能發電廠數量增長最快的地區將是非洲、墨西哥和美國西南部等地。

人們還認為，聚光太陽能具有廣闊的前景，到 2050 年，它可以提供全球高達 25% 的能源需求。目前，全球正在開發 50 多個此類發電廠的新項目。