Menu

Komponenty technologii CSP

Cztery główne technologie CSP - wieża słoneczna, koncentrator paraboliczny (PT), koncentrator liniowy Fresnela (LF) i koncentrator czaszowy w połączeniu z silnikiem Stirlinga lub turbiną gazową - różnią się zasadami ogniskowania energii słonecznej i ogólnie konstrukcją. Istnieją jednak wspólne cechy dla   głównych elementów składowych elektrowni CSP, np.

- Lustra są zwykle zakrzywione, aby skupiać światło na odbiorniku.

- Lustra mają z reguły system nadążny (tracker), śledzący ścieżkę słońca w ciągu dnia; dlatego są one połączone z konstrukcją wsporczą, która jest uruchamiana przez jedno- lub dwuosiowy układ napędowy.   - - Energia słoneczna przekazywana jest do płynu, przy czym gorący płyn może bezpośrednio napędzać silnik cieplny, lub przenosić ciepło do drugiego obiegu (np. wytwarzanie pary), może też umożliwiać magazynowanie energii do późniejszego wykorzystania w godzinach bez nasłonecznienia.
We wszystkich elektrowniach CSP można wyróżnić cztery główne bloki:

- pole słoneczne (w tym system HTF i odbiornik energii),

- magazyn energii,

- generator energii

- blok zasilania połączony z siecią energetyczną  

W porównaniu z elektrowniami zasilanymi paliwami kopalnymi, technologie CSP wymagają na początku dużych inwestycji, podczas gdy „koszt paliwa”, czyli promieniowanie słoneczne, jest bezpłatny przez cały okres eksploatacji elektrowni. Ważne jest więc osiągnięcie niskiego kosztu elementów, a tym samym zminimalizowanie początkowej inwestycji.
Aby osiągnąć konkurencyjność, wszystkie  komponenty muszą być maksymalnie wydajne, a jednocześnie charakteryzować się wysoką trwałością. Ogólnie rzecz biorąc, wydajność zakładu CSP zależy od:

- wysokiej jakości i precyzji geometrycznej luster;
- sprawnego i niezawodnego w działaniu systemu śledzenia;
- wysokiego współczynnika przewodzenia ciepła czynnika obiegowego i niskich strat do otoczenia;
- wysokiej sprawności turbiny;
- wydajnego magazynowania ciepła;
- trwałości wszystkich elementów  i  niskich nakłady na ich konserwację.   

 

Reflektory / lustraenersl38.jpg
Lustro jest kluczowym elementem umożliwiającym osiągnięcie żądanej wysokiej temperatury. W zależności od technologii CSP, lustra mają różne kształty i mogą wymagać różnych układów.

 

 

Technologie wieżowe - lustra zamocowane są tutaj na ruchomych konstrukcjach zwanych heliostatami. Heliostat posiada system nadążny poruszający się za słońcem, dzięki czemu przez cały dzień wiązka promieni słonecznych kierowana jest z luster na nieruchomą wieżę. W heliostacie lustra zamocowane są do metalowej ramy, posiadającej jedną lub dwie osie obrotu. Powierzchnie heliostatów wahają się od 2-180m2. Lustra mogą być płaskie, lub dodatkowo posiadać krzywiznę pozwalająca na ogniskowanie energii. enersl39.jpg

 

Fot. (po prawej) Heliostat ASP-150

 

W każdym heliostacie możemy wyróżnić trzy zasadnicze elementy

1. Zwierciadło

2. System nadążny

3. Konstrukcję wsporczą (fundament, rama)

 

Pod duże heliostaty (powyżej 50 m2
apertury) stosuje się fundament betonowy, dla heliostatów w zakresie 5-50 m2 apertury, zastosować można pale wbijane w ziemię (na głębokość równą wysokości heliostatu), natomiast dla najmniejszych heliostatów (≤ 5 m2) stosuje się kotwy, jeżeli pozwalają na to warunki podłoża.  Napęd jest w przypadku wielu typów heliostatów najdroższym elementem przy czym można je podzielić na dwie główne grupy w zależności od źródła zasilania: silniki elektromagnetyczne oraz siłowniki hydrauliczne. W zależności od wielkości i rodzaju heliostatu zastosowanie znajduje różny napęd. Możemy wyróżnić konkretne rozwiązania tj. przekładnie ślimakowe, przekładnie zębate, przekładnie łańcuchowe, przekładnie falowe, Capstan, przekładania planetarna, siłowniki liniowe oraz koła cierne.

  Niebagatelny wpływ na typ konstrukcji oraz jej budowę ma wielkość oraz rodzaj zwierciadła Powierzchnie faset (pojedynczych zwierciadeł) mieszczą się w granicach 1-10 m2. Zwierciadła muszą charakteryzować się możliwie największą refleksyjnością dla całego widma, mieć możliwie mały ciężar właściwy oraz długą żywotność przy niskich kosztach obsługi. Wyróżniamy trzy główne typy zwierciadeł:

• standardowe szkło o gr. 4 mm z warstwą refleksyjną od tyłu zabezpieczone antykorozyjnie oraz przed wilgocią,
• szkło cienkowarstwowe o gr. < 1 mm z warstwą refleksyjną od tyłu lub po środku w rozwiązaniu typu sandwich, 
• membrany refleksyjne naciągane na ramy

Heliostaty, a szczególnie ich systemy nadążne są bardzo drogimi inwestycjami i w ogólnych kosztach budowy elektrowni CSP stanowią nawet do 35%. Trudno jednocześnie ocenić, jaka ich konstrukcja albo wielkość pozwala te koszty obniżać, dlatego popularne są zarówno heliostaty duże o powierzchni do 150m2 jak i małe <8m2.

 

Liniowe systemy Fresnela
W zależności od ogólnej konstrukcji liniowych systemów Fresnela, lustra mogą być płaskie lub tylko lekko zakrzywione. Lustra płaskie mają zbyt duże straty optyczne, dlatego zwierciadła są zwykle zakrzywione w jednej osi poprzez przyklejenie ich do lekko zakrzywionej konstrukcji wsporczej. Same lustra są wykonane z cienkiego szkła (Novatec) (patrz fot.) 

enersl40.jpg

Fot. Lustra w systemie liniowym Fresnela.

 

Systemy paraboliczne

Lustra maja tutaj krzywiznę paraboli, w wyniku czego światło słoneczne jest ogniskowane w jednym punkcie. Wymaga to bardzo precyzyjnej ich budowy. Odbiornik ciepła umieszczony jest zawsze w ognisku paraboli. Paraboliczny kształt pozwala na ograniczenie  systemu śledzenia do tylko jednej płaszczyzny, stąd trackery są tutaj tańsze konstrukcyjnie.

enersl41.jpg

Fot. Lustra w koncentratorach parabolicznych

 

Systemy czaszowe

Lustra w koncentratorach czaszowych mają te same wymagania co systemy paraboliczne i Fresnela. Wymagana jest tutaj bardzo duża dokładność wykonania, pozwalająca na wysoki współczynnik odbicia. Czasze składają się na ogół z wielu luster o zaprojektowanej krzywiźnie, ułożonych jedno obok drugiego tak, aby tworzyły fragment paraboloidy. Największe powierzchnie czasz np. BIG DISH sięgają 500m2

enersl42.jpg enersl43.jpg

Fot. Koncentrator czaszowy Big Dish

 

Lustra w systemach czaszowych mają największą zdolność koncentracji energii którą podaje się jako wielokrotność słońc. W konstrukcji Big Dish koncentracja ta wynosi >2000 słońc, dzięki czemu w ogniskowej czaszy dostępna jest temperatura od 500-1700°C. Lustra tej konstrukcji wykonane są ze srebrzonego szkła zamocowane do metalowej ramy (fot. powyżej). W praktyce dostępne są też inne technologie. W koncetratorze Eurodish lustra wykonano z cienkiego szkła przyklejonego do fasetek z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym.

enersl44.jpg

Fot. Koncentrator czaszowy Eurodish.

 

Wszystkie fasety są ze sobą sklejone tworząc jednolitą powłokę. Średnice czasz w tej technologii wykonywane są od 7,5-17m, a moce zainstalowanych w ognisku silników Stirlinga wynoszą od 8-50kWe.

 

Odbiorniki ciepła

Odbiornik pochłania promieniowanie i przekazuje zaabsorbowaną energię do HTF. Wysoka absorpcja promieniowania słonecznego i niska emisja promieniowania cieplnego są najważniejszymi parametrami umożliwiającymi osiągnięcie wysokiej wydajności konwersji promieniowania na ciepło. W zależności od zastosowania odbiornik wygląda bardzo różnie.

Systemy wieżowe

Stosowane są tutaj zwykle systemy wolumetryczne, pojemnościowe, w których energia może być magazynowana w roztopionej soli, rzadziej w powietrzu. Czynnik obiegowy ogrzewany jest za pomocą elementów stalowych lub ceramicznych na które kierowane jest skoncentrowane światło słoneczne. W systemach wieżowych lustra (heliostaty) pełnią role wstępnego koncentratora energii. Na wieży montowany jest zwykle koncentrator wtórny, który dodatkowo ogniskuje energię. Poniżej rozwiązanie REFOS. 

enersl45.jpg

enersl46.jpg

 

Systemy liniowe

W koncentratorach liniowych Fresnela i parabolicznych stosowane są często wymienniki ciepła w postaci podłużnej rury stalowej zamkniętej w obudowie próżniowej, lub koncentrującej energię odbitą od wtórnego zwierciadła.

enersl47.jpg

enersl48.jpg

Rys. Odbiorniki ciepła w koncentratorach liniowych Fresnela. U góry wersja w obudowie próżniowej, u dołu ze zwierciadłem wtórnym.

 

Czynnik obiegowy

W komercyjnych rozwiązaniach instalacji słonecznych jako czynnik przenoszący ciepło stosowano parę przegrzana, olej wysokotemperaturowy (systemy liniowe) lub stopioną sól (systemy wieżowe). Obecnie wykorzystywane są te dwa ostatnie rozwiązania. Temperatura graniczna oleju jako HTF wynosi poniżej

 400°C. Ponieważ operatorzy chcą, aby górna temperatura cyklu była jak najwyższa, instalacje pracują jak najbliżej tej granicy. Wymaga to jednak odpowiedniej konserwacji obiegu oleju, ponieważ w wysokich temperaturach olej staje się niestabilny chemicznie i szybciej się rozkłada. Powstałe fazy gazowe muszą zostać oddzielone od cieczy, aby uniknąć zmniejszenia współczynnika przenikania ciepła z absorberów do płynu. Z drugiej strony, jednym z najbardziej problematycznych wytwarzanych gazów jest wodór, który może przenikać przez rury absorbera do próżni i zwiększać straty ciepła odbiorników do otoczenia. Wodór jest dość niebezpiecznym gazem w próżni, ponieważ ma znaczną przewodność cieplną ze względu na małą masę cząsteczkową przy odpowiednio dużej prędkości cząsteczkowej.

W starszych rozwiązaniach lamp, wodór był usuwany przez zastosowanie półprzepuszczalnej membrany palladowej, selektywnej tylko dla wodoru w podwyższonej temperaturze. Wodór przenikał przez membranę do powietrza otaczającego lampę łącząc się z tlenem. Membrana palladowa ulegała jednak stopniowemu uszkodzeniu, dlatego zamiast niej zastosowano w rurach gaz szlachetny (np.ksenon) o dużej masie cząsteczkowej, by zmniejszyć tym samym ruchliwość cząsteczek wodoru. Straty ciepła z tego tytułu spadły o 30-40%. Obecnie najnowsze rozwiązania polegają na okresowej ewakuacji wodoru z rur. Gdy jego masa cząsteczkowa przekroczy określony próg, rura jest opróżniania z wodoru i ponownie wytwarzana jest w niej próżnia. Rozwiązanie takie oferuje np. HITECO.  
W systemach rur cieplnych ze stopioną solą należy monitorować korozję rur, zwłaszcza w odbiornikach. Właściwości termofizyczne soli są względnie stabilne przez cały okres użytkowania, o ile nie zostaną wprowadzone żadne produkty korozji z powodu erozji ze skorodowanych powierzchni.
Para przegrzana była używana w zakładach Abengoa PS20  i Ivanpah]. 

 

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});