ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VI, брой 2, 2014

Бъдещето на соларните електроцентрали

Бъдещето на соларните електроцентрали

Изглежда твърде вероятно, че соларните кули ще бъдат CSP технологията (технология за концентрирана соларна енергия) на бъдещето. Няколко важни физически аспекта са на тяхна страна. Сега соларните кули трябва да се включат в надпреварата с параболичните соларни колектори и фотоволтаиците. В действителност, налични са няколко индикации, които показват, че скоро другите технологии ще бъдат изпреварени. Една от тях е, че соларните кули заемат значителен дял от предстоящите CSP проекти. Друга индикация е, че на най-важната научна конференция за CSP технологии SolarPaces, темата за соларните кули доминира над всички останали. Все пак, параболичните соларни колектори заемат най-голям пазарен дял, тъй като са първата CSP технология и са доказали, че работят успешно. В самото начало на своето развитие соларните кули са с изходна мощност не по-голяма от 20MW, което е по-малко от половината от обичайната мощност на електроцентралите с параболични соларни колектори и около една десета от това, което експертите считат, че ще бъде типичната мощност на бъдещите соларни електроцентрали. От термодинамична гледна точка, соларните кули имат най-добър потенциал за намаляване себестойността на произведената електроенергия.

За соларните кули са разработени разнообразни концепции. Кулите работят с малки или големи хелиостати, които представляват огледала, които непрекъснато отразяват слънчевата светлина към предварително определена цел. Като среда за трансфериране на топлината се използва въздух, пара или разтопена сол. Но соларните кули имат със сигурност нещо общо. Това е високата работна температура – над 390°C, която е значително по-висока от типичната работна температура на параболичните соларни колектори. Високите температури водят до високи турбинни ефективности. На теория това означава, че за една и съща изходна мощност е необходим по-малък брой хелиостати. Тъй като цената на огледалните площи представлява около 50% от общата цена на соларната електроцентрала, това може да доведе до значително икономическо предимство.

При соларните кули, разстоянието между приемника и турбината е малко. Това намалява загубите на топлина в тръбите в сравнение с технологиите, използващи дълги тръбопроводи, които преминават през цялата колекторна площ. За да се монтира хелиостатното поле за соларната кула, не е необходимо повърхността да бъде хоризонтална или терасовидна. Това позволява построяването на соларни кули в хълмисти райони, които не са подходящи за колекторни или Френелови електроцентрали.

Непрекъсната работа през цялата година
Производството на соларна енергия не се свързва с разходи за различни видове горива. Веднъж построена, соларната електроцентрала ще бъде толкова по-доходоносна, колкото по-дълго бъде в експлоатация. Въведен е терминът „коефициент на използване на мощността”, който описва действително произведената соларна енергия за една година в сравнение с енергията, която би била произведена при 100% годишно натоварване на соларната електроцентрала. При фотоволтаиците типичната стойност на този коефициент е 21%, а при параболичните соларни колектори – 23%. Най-общо, стойността на коефициента на използване на мощността при соларните кули е с няколко процента по-висока и е около 30%, при температура от 565°C в турбината. Коефициентът се повишава значително при осъществяване на нови проекти, а високите температури са голямо преимущество при съхраняването на топлината. Соларната електроцентрала Gemasolar в Испания има коефициент на използване на мощността от 63%. Със своя 15 часов резерв тя произвежда 110GWh/a при номинална мощност от 19MW. Тя е една от първите соларни електроцентрали с достатъчно голям резерв за работа през нощта по време на летните месеци.

Как да се намалят разходите ?
Клиентите имат нужда от евтина и надеждна електроенергия. Цифрата, която обикновено се използва за описване на цената, е усреднената стойност на електрическата енергия, включваща не само инвестиционните, но и операционните, управленските и капиталните разходи. За определени водещи технологии компаниите не са склонни да разкриват себестойността на произведената от тях електроенергия. Въпреки това, е ясно, че първите проекти с концентрирана соларна енергия, включващи соларни кули и колектори, не могат все още да се сравняват с фотоволтаичните проекти във връзка със себестойността на 1kWh електроенергия. Това се очаква да стане реалност, когато бъдат осъществени по-мащабни проекти в тази област. Тогава ще бъдат известни и конкретните операционни разходи, както и тези за техническото обслужване.

Но по-ниската цена не означава най-добра печалба, която представлява основен интерес за инвеститорите. Това означава, че стойността на произведената електроенергия трябва винаги да се има предвид. Ако има наличен, дори и малък, резерв на соларна електроенергия, ценовата ефективност на соларната електроцентрала може да се повиши значително, особено по време на върховите часови зони за консумация на електроенергия.

Предполага се, че една соларна кула може да събере достатъчно слънчева светлина, за да захрани една 200MW парна турбина и една такава голяма електроцентрала намалява разходите. Ограничението произтича от оптичните загуби по пътя от хелиостатите до соларната кула. Аерозолите, представляващи фини водни и прахови частици във въздуха, поглъщат отразените слънчеви лъчи по пътя им към приемника. Колкото по-голямо е разстоянието, толкова повече светлина ще бъде погълната. Разбира се, количеството на аерозолите зависи от конкретното географско място, където е построена соларната електроцентрала. За да се използва икономичността на по-големите турбини, няколко соларни кули могат да бъдат свързани и да подават своята топлина към една и съща турбина.

Измежду компаниите, произвеждащи соларни електроцентрали, американската eSolar Inc прилага напълно различен подход. Според нея най-добрият размер на една соларна електроцентрала е тя да бъде с мощност от 100 до 120MW, и да се състои от повече от една соларна кула. Например, за 46MW соларна електроцентрала компанията eSolar включва 12 малки соларни кули. Хелиостатите също са по-малки. За 100MW соларна електроцентрала са необходими 600 000 хелиостата като всеки от тях е за 1m2. Това подобрява осигуряването на доставките и ускорява производствения цикъл. Също така, при извършване на техническо обслужване малките соларни кули могат да се изключват и обслужват една по една, което води до значителни преимущества при експлоатационен цикъл на соларната електроцентрала от 20 – 30 години.

Нови електроцентрали с комбиниран цикъл
Много от страните с големи соларни ресурси притежават и значителни количества от природен газ. Наивно е да се мисли, че при повишаващото се търсене на електроенергия, те биха предпочели соларните електроцентрали вместо да използват по-евтиния природния газ. Интегрирането на CSP в електроцентралите на природен газ, обаче, позволява постепенно превключване от фосилни горива към соларна енергия. В някои страни от Северна Африка, например Мароко и Египет, вече има хибридни електроцентрали, използващи фосилна и соларна енергия. В тях се използва технологията с параболични соларни колектори. Инвестиционната компания MetCap Energy Investments и General Electric (GE) ще построят в Турция до края на 2015 г. хибридна електроцентрала, прилагайки технологията за соларните кули. Проектът включва 570MW, от които само 50MW са от соларни кули на компанията eSolar. Основното гориво е природен газ. Все пак, тези две технологии ще работят заедно за първи път в една електроцентрала. 20MW от вятърна енергия са също част от проекта. В проекта Dervish General Electric разработва нов вид електроцентрала, т.н. „Flex Efficiency 50 Combined Cycle Power Plant”, която постига пускова скорост от 50MW/min. Технологията позволява изключване на до 40% от товара и повторно включване за по-малко от 30 минути.

Технология с насочване на енергията към основата на соларната кула
След като соларната енергия се събира в приемника на върха на кулата, тя се довежда до турбината, която е на земята, по конвенционален начин чрез трансфериращ топлината флуид, протичащ през тръби и задвижван от помпа. Ако соларната енергия се изпраща с помощта на допълнително огледало, преминавайки като лъчи през въздуха, това води до икономия от неизползването на помпа като се дава по-лесен достъп до приемника, който може да бъде инсталиран на земята. Японската компания Mitaka Kohki, производител на прецизна оптика, прилага в свой демонстрационен комплект един нов подход към идеята за соларна кула с насочване на енергията към основата на соларната кула чрез лъчи. Слънчевата светлина се концентрира на три етапа. Поставя се елиптично огледало, но не директно във фокусната точка на хелиостатното поле, а над нея, така че концентрирането не е твърде голямо на този етап и няма голямо топлинно напрежение за огледалото. На практика, хелиостатите с обща площ от 540m2 отразяват слънчевата светлина върху елиптично огледало с диаметър 5.1m. Елиптичното огледало е с 95% отразяваща способност и фокусира отново слънчевата светлина като от фокусната точка на елиптичното огледало тя се изпраща чрез мултисегментен концентратор и достига до крайното концентриране, което дава възможност за осигуряването на високи температури. Концепцията на компанията Mitaka Kohki включва използването на разтопена сол като флуид за трансфериране на топлина и среда за съхранение.

Система за производство на соларна електроенергия Ivanpah
Системата за производство на соларна електроенергия Ivanpah, собственост на NRG Energy, Google и BrightSource Energy ще използва доказаната технология на соларните кули на BrightSource Energy за производство на чиста и надеждна соларна електроенергия за нуждите на повече от 140 000 домакинства в САЩ. Разположена в Ivanpah Dry Lake, California, соларната система ще заема площ от 14 165 000m2 . Нейната номинална мощност ще бъде 377MW. Ivanpah ще произвежда електрическа енергия по добре известния начин чрез създаване на пара с висока температура за задвижване на конвенционална турбина. Вместо изгаряне на фосилни горива, обаче, се използва чистата и неизчерпаема слънчева енергия. Чрез иновативния дизайн на соларното поле, оптимизирания софтуер и контролната система се дава възможност за произвеждане на високотемпературна пара. Над 300 000 софтуерно управляеми огледала следят слънцето в три измерения и отразяват слънчевата светлина към бойлери, разположени на върха на 3 кули, всяка с височина 140m. Когато концентрираната слънчева светлина достигне бойлерните тръби, тя подгрява водата и така се създава прегрята пара, която се отвежда от бойлера към стандартната турбина чрез тръбопроводи.

Със своите високи кули и оптимизиран дизайн на соларното поле Ivanpah използва значително по-малко площ в сравнение с фотоволтаиците и соларните колектори. При технологията с концентрирана соларна енергия се избягват емисиите на милиони метрични тонове въглероден диоксид, както и на азотни и серни оксиди. Технологията в соларната електроцентрала Ivanpah използва с до 95% по-малко вода, отколкото конкурентните соларни термални електроцентрали, поради внедряването на т.н. процес на сухо охлаждане, при който вместо вода се използва въздух за кондензиране на парата. Проектът Ivanpah има ограничено екологично влияние и върху земята, поради специалния начин за поставяне на хелиостатните пилони.

В края на септември 2013 г. системата за производство на соларна електроенергия Ivanpah започва работа, когато една от трите соларни кули е синхронизирана към електроенергийната мрежа за първи път. Осъществяването на тази критична „първа синхронизация” е важно постижение за проекта. Това успешно тестване демонстрира ефективността на технологията със соларни кули, която включва хелиостати с голяма площ, следящи слънцето през деня, интегриращ софтуер за соларното поле и парен генератор със соларен приемник.

Проектът Palen
Един от най-новите проекти за концентрирана соларна енергия отново е на американската компания BrightSource, в съдружие с испанската мултинационална компания Abengoa. Бъдещата соларна електроцентрала с обща мощност от 500MW ще бъде изградена в специална Solar Energy Зона в Riverside County, California и ще се състои от две 250MW соларни кули с височина на всяка от тях от около 230m. Проектът Palen ще осигурява електрическа енергия за нуждите на 200 000 домакинства и ще предотврати емисиите на около 17 милиона тона въглероден диоксид през своя екплоатационен цикъл. Проектирането на по-високите соларни кули дава възможност да се използват повече на брой хелиостати и да се произвежда повече електроенергия от една соларна кула. Този дизайн, в сравнение с фотоволтаичните инсталации, спестява до 33% от площта за монтаж на съоръженията. Соларната електроцентрала се очаква да бъде пусната в действие през 2016 г. Компанията BrightSource ще предостави соларната технология и ще изготви проекта, а компанията Abengoa ще отговаря за инженеринга, материално-техническото осигуряване и строителството, както и за работата и техническото обслужване на соларната електроцентрала след нейното пускане в експлоатация.

Технологията за концентрирана соларна енергия фокусира слънчевата светлина за подгряване на флуид и се използва, както за производство на електроенергия, така и в приложения за отопление. Традиционните CSP соларни електроцентрали се състоят от единични кули с ограничена гъвкавост и големи хелиостати с по-висока цена и по-големи изисквания за ветроустойчивост. Малките хелиостати се инсталират по-лесно и са по-добре защитени от въздействието на вятъра. В наши дни проектите за соларни електроцентрали включват повече от една соларна кула. Технологиите за соларни електроцентрали, използващи соларни кули, ще продължават да се развиват. Независимо от големите надежди, които им се възлагат, възможно е те да не бъдат единствените технологии на бъдещето, а да се очаква появата и разработването на други нови технологии за производство на соларна електроенергия.