Centrals d'energia solar tèrmica de torre, sistemes de concentració d'energia solar

El sol és una font d'energia extremadament "neta". Avui, a tot el món, el treball sobre l'ús del Sol s'està desenvolupant en moltes direccions. En primer lloc, s'està desenvolupant l'anomenada petita indústria elèctrica, que inclou principalment la calefacció i el subministrament de calor d'edificis. Però ja s'han fet passos seriosos en el camp de l'energia a gran escala: s'estan creant centrals d'energia solar a partir de la fotoconversió i la conversió tèrmica. En aquest article, us explicarem les perspectives de les estacions de la segona direcció.

La tecnologia d'energia solar concentrada, coneguda a tot el món com a CSP (energia solar concentrada), és un tipus de central d'energia solar que utilitza miralls o lents per concentrar grans quantitats de llum solar en una àrea petita.

No s'ha de confondre CSP amb la fotovoltaica concentrada, també coneguda com CPV (fotovoltaica concentrada). En el CSP, la llum solar concentrada es converteix en calor, i després la calor es converteix en electricitat.D'altra banda, en CPV, la llum solar concentrada es converteix directament en electricitat via efecte fotoelèctric.

Ús industrial de concentradors solars

Energia solar

El sol envia un poderós corrent d'energia radiant en direcció a la terra. Fins i tot si tenim en compte que 2/3 d'ella es reflecteix i es dispersa per l'atmosfera, encara la superfície terrestre rep 1018 kWh d'energia en 12 mesos, la qual cosa és 20.000 vegades més del que consumeix el món en un any.

És natural que utilitzar aquesta font inesgotable d'energia amb finalitats pràctiques sempre hagi semblat molt temptador. No obstant això, el temps va passar, l'home a la recerca d'energia va crear un motor tèrmic, va bloquejar rius, va dividir un àtom i el Sol va continuar esperant a les ales.

Per què és tan difícil controlar la seva energia? En primer lloc, la intensitat de la radiació solar canvia durant el dia, cosa que és extremadament inconvenient per al consum. Això vol dir que l'estació solar ha de tenir una instal·lació de bateries o treballar conjuntament amb altres fonts. Però aquest encara no és el major inconvenient. Molt pitjor, la densitat de radiació solar a la superfície terrestre és molt baixa.

Així, a les regions del sud de Rússia, només hi ha 900 - 1000 W / m2... Això només és suficient per escalfar l'aigua dels col·lectors més senzills a temperatures de no més de 80 - 90 ° C.

És apte per al subministrament d'aigua calenta i en part per a la calefacció, però en cap cas per a la generació d'electricitat. Aquí calen temperatures molt més altes. Per augmentar la densitat de flux, cal recollir-lo d'una gran àrea i transformar-lo de dispers a concentrat.

Producció d'energia amb sistemes de concentració solar

Els mètodes de concentració de l'energia solar es coneixen des de l'antiguitat.S'ha conservat una llegenda sobre com el gran Arquimedes, amb l'ajuda d'uns miralls còncaus de coure polit, va cremar la flota romana que l'estava assetjant al segle III aC. NS. Siracusa. I encara que aquesta llegenda no està confirmada pels documents històrics, la mateixa possibilitat d'escalfar en el focus d'un mirall parabòlic qualsevol substància a temperatures de 3500 - 4000 ° C és un fet indiscutible.

Els intents d'utilitzar miralls parabòlics per generar energia útil van començar a la segona meitat del segle XIX. Es va dur a terme un treball especialment intens als EUA, Anglaterra i França.

Un mirall parabòlic experimental per utilitzar l'energia solar tèrmica a Los Angeles, EUA (vers 1901).

El 1866, Augustin Mouchaud va utilitzar un cilindre parabòlic per generar vapor a la primera màquina de vapor solar.

La central solar d'A. Mouchaud, demostrada a l'Exposició Industrial Mundial de París el 1882, va causar una gran impressió en els contemporanis.

La primera patent d'un col·lector solar la va obtenir l'italià Alessandro Battaglia a Gènova (Itàlia) l'any 1886. En els anys següents, inventors com John Erickson i Frank Schumann van desenvolupar dispositius que funcionen concentrant l'energia solar per al reg, la refrigeració i el moviment.

Motor solar, 1882

La planta solar de Frank Schumann al Caire

L'any 1912 es va construir a prop del Caire la primera central solar amb una potència de 45 kW amb concentradors parabòlics-cilíndrics amb una superfície total de 1200 m22 que s'utilitzava en el sistema de reg. Els tubs es van col·locar al focus de cada mirall. Els raigs solars es concentraven a la seva superfície.L'aigua de les canonades es converteix en vapor, que es recull en un col·lector comú i s'alimenta a la màquina de vapor.

En general, cal assenyalar que aquest va ser un període en què la creença en el fantàstic poder d'enfocament dels miralls va dominar moltes ments. La novel·la d'A. Tolstoi "L'hiperboloide de l'enginyer Garin" es va convertir en una mena de prova d'aquestes esperances.

De fet, en diverses indústries, aquests miralls s'utilitzen àmpliament. Sobre aquest principi, molts països han construït forns per fondre materials refractaris d'alta puresa. Per exemple, França té el forn més gran del món amb una capacitat d'1 MW.

I què passa amb les instal·lacions de generació d'energia elèctrica? Aquí els científics s'han enfrontat a una sèrie de dificultats. En primer lloc, el cost dels sistemes d'enfocament amb superfícies de mirall complexes va resultar molt elevat. A més, a mesura que augmenta la mida dels miralls, el cost augmenta exponencialment.

A més, creeu un mirall amb una àrea de 500 - 600 m2 tècnicament difícil i no en podeu obtenir més de 50 kW de potència. És evident que en aquestes condicions la potència unitària del receptor solar és significativament limitada.

I una consideració important més sobre els sistemes de miralls corbats. En principi, es poden muntar sistemes bastant grans a partir de mòduls individuals.

Per a instal·lacions actuals d'aquest tipus, consulteu aquí: Exemples d'ús de concentradors solars

Abeurador parabòlic utilitzat a la planta d'energia solar concentrada de Lockhart prop de Harper Lake, Califòrnia (projecte solar Mojave)

En molts països s'han construït centrals elèctriques similars. Tanmateix, hi ha un greu inconvenient en el seu treball: la dificultat per recollir energia.Al cap i a la fi, cada mirall té el seu propi generador de vapor al focus i tots estan repartits per una gran àrea. Això vol dir que el vapor s'ha de recollir de molts receptors solars, la qual cosa complica molt i augmenta el cost de l'estació.

Torre solar

Fins i tot en els anys d'abans de la guerra, l'enginyer N. V. Linitsky va plantejar la idea d'una planta d'energia solar tèrmica amb un receptor solar central situat en una torre alta (central d'energia solar de tipus torre).

A finals de la dècada de 1940, els científics de l'Institut Estatal d'Investigació d'Energia (ENIN) van rebre el nom de V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum i B. A. Garf van desenvolupar un concepte científic per a la creació d'aquesta estació. Van proposar abandonar els complexos miralls corbats i cars, substituint-los pels heliòstats plans més senzills.

El principi de funcionament de les centrals solars des d'una torre és bastant simple. Els raigs solars són reflectits per múltiples heliòstats i dirigits a la superfície d'un receptor central: un generador de vapor solar col·locat a la torre.

D'acord amb la posició del Sol al cel, l'orientació dels heliòstats també canvia automàticament. Com a resultat, durant tot el dia, un corrent concentrat de llum solar, reflectit per centenars de miralls, escalfa el generador de vapor.

Diferència entre dissenys SPP amb concentradors parabòlics, SPP amb concentradors de disc i SPP des d'una torre

Aquesta solució va resultar tan senzilla com original. Però el més important va ser que, en principi, es va poder crear grans centrals solars amb una potència unitària de centenars de milers de kW.

Des de llavors, el concepte de planta d'energia solar tèrmica de tipus torre ha guanyat reconeixement mundial. Només a finals de la dècada de 1970, aquestes estacions amb una capacitat de 0,25 a 10 MW es van construir als EUA, França, Espanya, Itàlia i Japó.

Torre solar SES Themis als Pirineus Orientals a França

Segons aquest projecte soviètic, l'any 1985 a Crimea, prop de la ciutat de Shtelkino, es va construir una planta d'energia solar de tipus torre experimental amb una capacitat de 5 MW (SES-5).

A SES-5, s'utilitza un generador de vapor solar circular obert, les superfícies del qual, com diuen, estan obertes a tots els vents. Per tant, a temperatures ambientals baixes i velocitats de vent altes, les pèrdues per convecció augmenten bruscament i l'eficiència disminueix significativament.

Ara es creu que els receptors de tipus cavitat són molt més eficients. Aquí, totes les superfícies del generador de vapor estan tancades, de manera que les pèrdues per convecció i radiació es redueixen dràsticament.

A causa dels baixos paràmetres de vapor (250 °C i 4MPa), l'eficiència tèrmica de SES-5 és només de 0,32.

Després de 10 anys de funcionament el 1995, SES-5 a Crimea es va tancar i el 2005 la torre es va lliurar a la ferralla.

Model SES-5 al Museu Politècnic

Les centrals solars de torre actualment en funcionament utilitzen nous dissenys i sistemes que utilitzen sals foses (40% nitrat de potassi, 60% nitrat de sodi) com a fluids de treball. Aquests fluids de treball tenen una capacitat calorífica superior a l'aigua de mar, que es va utilitzar en les primeres instal·lacions experimentals.

Esquema tecnològic d'una moderna central solar tèrmica

Planta d'energia solar de torre moderna

Per descomptat, les centrals solars són un negoci nou i complicat i, naturalment, tenen prou opositors. Molts dels dubtes que expressen tenen motius força bons, però difícilment es pot estar d'acord amb els altres.

Per exemple, sovint es diu que es necessiten grans superfícies de terra per construir centrals solars de torre. Tanmateix, no es poden excloure les zones on es produeix combustible per al funcionament de les centrals elèctriques tradicionals.

Hi ha un altre cas més convincent a favor de les centrals solars de torre. L'àrea específica del terreny inundat per embassaments artificials de centrals hidroelèctriques és de 169 hectàrees / MW, que és moltes vegades superior als indicadors d'aquestes centrals solars. A més, durant la construcció de centrals hidroelèctriques, sovint s'inunda terres fèrtils molt valuoses i se suposa que les torres SPP es construeixen en zones desèrtiques, en terrenys que no són aptes per a l'agricultura ni per a la construcció d'instal·lacions industrials.

Un altre motiu de crítiques als SPP de torres és el seu alt consum de material. Fins i tot hi ha dubtes sobre si SES podrà retornar l'energia gastada en la producció d'equips i l'obtenció de materials utilitzats per a la seva construcció durant el període estimat de funcionament.

De fet, aquestes instal·lacions són intensives en materials, però és essencial que pràcticament tots els materials amb els quals es construeixen les centrals solars modernes no escasseixin.Els càlculs econòmics realitzats després del llançament de les primeres centrals solars modernes de torre van mostrar la seva alta eficiència i períodes de recuperació força favorables (vegeu a continuació exemples de projectes econòmicament reeixits).

Una altra reserva per augmentar l'eficiència de les centrals solars amb torre és la creació de plantes híbrides, en les quals les plantes solars treballaran conjuntament amb les centrals tèrmiques convencionals de combustible tradicional.A la central combinada, en les hores d'intensa radiació solar, el combustible La planta redueix la seva potència i "accelera" amb temps ennuvolat i amb càrregues punta.

Exemples de centrals solars modernes

El juny de 2008, Bright Source Energy va obrir un centre de desenvolupament d'energia solar al desert del Negev d'Israel.

Al lloc es troba al polígon industrial de Rotema, s'han instal·lat més de 1.600 heliòstats que segueixen el sol i reflecteixen la llum en una torre solar de 60 metres. A continuació, l'energia concentrada s'utilitza per escalfar la caldera de la part superior de la torre a 550 °C, generant vapor que s'envia a una turbina on es genera electricitat. Potència central 5 MW.

El 2019, la mateixa empresa va construir una nova central elèctrica al desert del Nèguev.Ashalim… Toya Consta de tres seccions amb tres tecnologies diferents, la planta combina tres tipus d'energia: energia solar tèrmica, energia fotovoltaica i gas natural (central híbrida). La potència instal·lada de la torre solar és de 121 MW.

L'estació inclou 50.600 heliòstats controlats per ordinador, suficients per alimentar 120.000 llars. L'alçada de la torre és de 260 metres.Era el més alt del món, però recentment va ser superat per la torre solar de 262,44 metres del parc solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Una central elèctrica al desert del Nèguev a Israel

L'estiu de 2009, l'empresa nord-americana eSolar va construir una torre solar Torre Solar Sierra per a una central elèctrica de 5 MW situada a Lancaster, Califòrnia, a uns 80 km al nord de Los Angeles.La central té una superfície d'unes 8 hectàrees en una vall seca a l'oest del desert de Mojave a 35°N de latitud.

Torre Solar Sierra

A partir del 9 de setembre de 2009, basant-se en l'exemple de les centrals elèctriques existents, es va estimar que el cost de la construcció d'una planta d'energia solar de torre (CSP) és de 2,5 a 4 dòlars EUA per watt, mentre que el combustible (radiació solar) és gratuït. . Així, la construcció d'aquesta central elèctrica amb una capacitat de 250 MW costa entre 600 i 1.000 milions de dòlars nord-americans. Això vol dir de 0,12 a 0,18 dòlars / kWh.

També es va trobar que les noves plantes CSP poden ser econòmicament competitives amb els combustibles fòssils.

Nathaniel Bullard, analista de Bloomberg New Energy Finance, va estimar que el cost de l'electricitat generada per la central solar d'Iwanpa, llançada el 2014, és inferior al de l'electricitat generada per Central fotovoltaica, i és gairebé el mateix que l'electricitat d'una central de gas natural.

La més famosa de les centrals solars del moment és la central elèctrica Gemasolar amb una potència de 19,9 MW, situat a l'oest de la ciutat d'Esia a Andalusia (Espanya). La central elèctrica va ser inaugurada pel rei Joan Carles d'Espanya el 4 d'octubre de 2011.

Central d'energia Gemsolar

Aquest projecte, que va rebre una subvenció de 5 milions d'euros de la Comissió Europea, utilitza tecnologia provada per l'empresa nord-americana Solar Two:

• 2.493 heliòstats amb una superfície total de 298.000 m2 utilitzen vidre amb millor reflectivitat, el disseny simplificat del qual redueix els costos de producció en un 45%.

• Un sistema d'emmagatzematge d'energia tèrmica més gran amb una capacitat de 8.500 tones de sals foses (nitrats), proporcionant una autonomia de 15 hores (aproximadament 250 MWh) en absència de llum solar.

• Disseny millorat de la bomba que permet bombejar sals directament dels dipòsits d'emmagatzematge sense necessitat d'un dipòsit.

• Sistema de generació de vapor que inclou recirculació forçada del vapor.

• Turbina de vapor amb major pressió i major eficiència.

• Circuit de circulació de sal fosa simplificat, reduint a la meitat el nombre de vàlvules necessàries.

La central elèctrica (torre i heliòstats) ocupa una superfície total de 190 hectàrees.

Torre Solar SPP Gemasolar

Abengoa ha construït Hola assolellat a Sud-àfrica: una central elèctrica amb una alçada de 205 metres i una capacitat de 50 MW. La cerimònia d'inauguració va tenir lloc el 27 d'agost de 2013.

Hola assolellat

Sistema de generació elèctrica solar Ivanpah — una planta d'energia solar de 392 megawatts (MW) al desert de Mojave de Califòrnia, a 40 milles al sud-oest de Las Vegas. La central es va posar en funcionament el 13 de febrer de 2014.

Sistema de generació elèctrica solar Ivanpah

La producció anual d'aquest SPP cobreix el consum de 140.000 llars. S'han instal·lat 173.500 miralls d'heliòstat que concentren l'energia solar en generadors de vapor situats en tres torres solars centrals.

El març de 2013 es va signar un acord amb Bright Source Energy per construir una central elèctrica Cremat a Califòrnia, que consta de dues torres de 230 m (250 MW cadascuna), posada en funcionament prevista per al 2021.

Altres centrals de torre solar en funcionament: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marroc, 2014), Crescent Dunes (Nevada, EUA, 2016), SUPCON Delingha i Shouhang Dunhuang (Kathai, ambdues 2018.), Gonghe, Luneng Haixi i Hami (Xina, tot 2019), Cerro Dominador (Xile, abril 2021).

Una solució innovadora per a l'energia solar

Com que aquesta tecnologia funciona millor en zones amb alta insolació (radiació solar), els experts prediuen que el major creixement en el nombre de centrals d'energia solar de torre es produirà a llocs com Àfrica, Mèxic i el sud-oest dels Estats Units.

També es creu que l'energia solar concentrada té serioses perspectives i que pot proporcionar fins a un 25% de les necessitats energètiques mundials l'any 2050. Actualment, al món s'estan desenvolupant més de 50 nous projectes d'aquest tipus de centrals elèctriques.