Strona dla uczniów technikum

 

Strona główna

Galeria Mapa strony Historia Kontakt PSBiG Filmy  

Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej

 

     Vademecum energetyki odnawialnej

Energia wód płynących Energia słoneczna Energia geotermalna Energia wiatru
Pompy ciepła Biomasa Biogaz Energia oceanów
Ustawy i rozporządzenia
 
 Jesteś:
Energia słonecznaElektrownie słoneczne

 

1. Wstęp

2. Koncentratory wieżowe

3. Koncentratory paraboliczne

4. Koncentratory liniowe Fresnela 

5. Koncentratory czaszowe z silnikami Stirlinga

6. Wieże słoneczne

7. Piece słoneczne

 

 


1. Wstęp

    Elektrownia słoneczna to najprościej mówiąc zespół urządzeń przekształcających energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną i ewentualnie cieplną. Istnieją dwa odmienne systemy:

- elektrownie fotowoltaiczne

- elektrownie heliotermiczne

W elektrowniach fotowoltaicznych (farmach fotowoltaicznych) energia promieniowania słonecznego zostaje zamieniona w wyniku efektu fotoelektrycznego od razu na prąd stały, a następnie za pomocą inwerterów przetransformowana na prąd zmienny i przesłana do sieci elektroenergetycznej. Elektrownia taka zbudowana jest z dużej ilości paneli fotowoltaicznych posadowionych na konstrukcjach wsporczych, na gruncie. Największa obecnie elektrownia fotowoltaiczna na świecie zbudowana jest w Kaliforni w Stanach Zjednoczonych i posiada moc około 500 MW. Farma słoneczna nosi nazwe Topaz i posiada 9mln paneli fotowoltaicznych zajmujących powierzchnię 15,2km2. Koszt budowy wyniósł 2,5mld $.

Fot. Topaz solar farm w Kaliforni.

 

W elektrowni heliotermicznej energia słońca koncentrowana jest za pomocą systemu zwierciadeł płaskich lub parabolicznych na elementach wymiennika ciepła, gdzie zachodzi podgrzewanie czynnika (np. soli lub oleju) do bardzo wysokich temperatur. Energia ta wykorzystywana jest następnie do wytworzenia pary wysokoprężnej do napędu turbiny. W systemach heliotermicznych stosowane są co najmniej cztery technologie:

- koncentratory wieżowe

- koncentratory paraboliczne

- koncentratory liniowe z systemem nadążnym

- koncentratory czaszowe Stirlinga

Z innych spektakularnych rozwiązań można wymienić

- piece słoneczne

- wieże słoneczne wiatrowe

     

 

2. Koncentratory wieżowe (solar tower)

 

To najbardziej widowiskowe elektrownie słoneczne. Zbudowane są z centralnie wykonanej wieży, na której szczycie znajduje się wymiennik ciepła z czynnikiem roboczym odbierającym ciepło. Jako czynniki wykorzystuje się najczęściej sól sodową lub potasową, rzadziej olej lub wodę. Energia słoneczna gromadzona jest przez system zwierciadeł ustawionych wokół wieży wyposażonych zwykle w system nadążny. Odbite od zwierciadeł promieniowanie ogniskowane jest na wymienniku powodując wzrost temperatury czynnika do nawet >500C. Wieże wykorzystujące sól pracują zwykle w przedziale  temperatur 250-565C, co wynika z właściwości czynnika.

 

Fot. Wieża słoneczna Crescent Dunes w Newadzie o mocy projektowanej 500 MW.

Schemat działania całej instalacji pokazany jest na rys.1 Dla zapewnienia ciągłości działania systemu przez całą dobę stosuje się magazynowanie energii w postaci zasobnika z solą.

Rys.1 Schemat działania elektrowni wieżowej.

 Podgrzana do temperatury 565C sól ulega roztopieniu i przekazywana jest rurami obiegowymi do zasobnika stopionej soli, a stąd do przegrzewacza pary (superheater). Po oddaniu ciepła, przepływa jeszcze do wyparki i wstępnego podgrzewacza wody obiegowej oddając kolejne porcje ciepła. Schłodzona do temperatury 288C spływa do zasobnika i kierowana jest ponownie do wymiennika ciepła w wieży. Drugi obieg systemu stanowi zdemineralizowana woda, która ogrzana wstępnie w wymienniku ciepła  przechodzi do wyparki gdzie zamienia sie w parę nasyconą. Kolejny stopień przegrzania uzyskuje w przegrzewaczu pary uzyskując parametry pary wysokiego ciśnienia i jako taka kierowana jest na turbinę. W systemie stosowane są co najmniej dwie turbiny, wysokiego ciśnienia i niskiego ciśnienia. Turbina niskiego ciśnienia napędzana jest para która po opuszczeniu turbiny HP poddawana jest dogrzewaniu w celu uniknięcia kondensacji. Po opuszczeniu turbiny niskiego ciśnienia para chłodzona jest w chłodni wentylatorowej aż do uzyskania kondensatu i jako ciecz wraca do obiegu.   

3. Koncentratory paraboliczne (parabolic through collector)

Wykonywane są w postaci podłużnych parabolicznych luster (koryt parabolicznych) które skupiają światło i ogniskują je na umieszczonej powyżej rurze wymiennika ciepła. Przez rurę przepływa czynnik (zwykle olej), który ogrzewa się do wysokiej temperatury gromadząc energię, a następnie oddaje ją w wymienniku krążącej w układzie turbiny wodzie, zamieniając ja w parę przegrzaną. Para przegrzana w cyklu Rankine'a napędza turbinę i generator prądu.

Fot. Koncentrator paraboliczny liniowy SKAL-ET150

Koncentratory paraboliczne posiadają najczęściej system nadążny pozwalający śledzić kąt padania promieni słonecznych. Nie mogą jednak obracać się względem azymutu.

Zaletą rozwiązania jest obecnie dość dobrze opracowana technologia wykonania, dająca pewność inwestycji. wada dość niska temperatura czynnika (koncentratory są w stanie wytworzyć temperatury w ognisku <400C) co powoduje stosunkowo niską sprawność turbiny. System może zawierać magazyn energii pozwalający na jego pracę także w warunkach nocnych.

Rys. Schemat pracy instalacji koncentratorów parabolicznych.

4. Koncentratory liniowe Fresnela.

To odmiana powyższego rozwiązania w którym paraboliczne lustra zastąpiono płaskimi lub lekko zakrzywionymi bez systemu nadążnego, ale ustawionymi pod różnymi kątami. Skoncentrowana energia słoneczna kierowana jest następnie do wymiennika ciepła w postaci rury umieszczonego nad lustrami podgrzewając zawarty w nim olej lub sól.

Fot. Koncentrator liniowy Fresnela

Zrezygnowanie w tym wypadku z układu nadążnego i parabolicznych luster wpłynęło na znaczne obniżenie kosztów całej elektrowni. Lustra paraboliczne są bardziej podatne na uszkodzenia z powodu silnych wiatrów, trudniejsze i droższe w wykonaniu. System nadążny jest z kolei podatny na awarie. 

5. Koncentratory czaszowe z silnikiem stirlinga (Stirling dish engine system)

W odróżnieniu od powyższych rozwiązań nie ma tutaj konieczności używania jako pośredniego sposobu przekazywania energii cieczy krążącej w układzie. Urządzeniem generującym energię elektryczną jest silnik Stirlinga który nie wymaga do pracy spalania paliwa, a wykorzystuje ciepło z energii słonecznej. 

Fot. Budowa elektrowni z silnikiem Stirlinga

 

Jako paliwo do napędu tłoka stosowany jest zwykle gaz (wodór lub hel) który pod wpływem ciepła ulega sprężeniu wykonując pracę. Silnik Stirlinga ma wysoką sprawność ponad 40%. Jego wadą jest generowanie dość dużego hałasu, co powoduje że elektrownie powinny być lokalizowane w odosobnionych miejsca, z dala od siedzib ludzkich. Projekty elektrowni z silnikami stirlinga są już w zaawansowanej fazie. Największe powstają w południowej  Kalifornii (projekty o mocy 500MW i 300MW z możliwością rozbudowy odpowiednio do 850MW i 900MW, czyli w sumie 1750MW). Projekt pierwszy zakłada wykonanie od 20.000-34.000 instalacji.

6. Wieże słoneczne

Rozwiązanie które poza zbliżoną nazwą nie ma nic wspólnego z koncentratorem wieżowym. W wieżach słonecznych wykorzystuje się bowiem efekt kominowy do napędu turbin. Zasadę działania można krótko wyjaśnić na podstawie rys.2. Wieża jest tak naprawdę betonową konstrukcja kominową, pustą w środku, u której podstawy wykonany jest szereg turbin wiatrowych. Cały teren wokół wieży przykryty jest szklaną konstrukcją przypominająca wielką szklarnię, na końcu której znajdują się swobodne wloty powietrza. W wyniku ogrzania przez słońce tworzy się różnica gęstości pomiędzy powietrzem w kominie i przeszklonym "parasolem", a powietrzem zewnętrznym, co wywołuje powstanie bardzo dużego podciśnienia w kominie. Przypomina to trochę rozpalony kocioł. Gorące powietrze wpływa do komina z bardzo dużą prędkością dochodząca do 15m/s napędzając turbiny.

Fot. Wieża słoneczna w Manzanares 150km na południe od Madrytu o mocy 50kW.

Rys. Projekt wieży solarnej w Arizonie o wysokości blisko 800 m, z 32 generatorami energii wiatrowej. Moc projektowa to 200  MW. Trwałość przewidziana na 80 lat, a całkowity koszt to 750 mln $.

 

Rys. Schemat działania wieży solarnej z efektem szklarniowym.

 

Jeszcze inne rozwiązanie wieży solarnej ma powstać na granicy amerykańsko-meksykańskiej w okolicach Arizony. Wieża zbudowana na powietrzni 600 akrów ma mieć u wylotu aż 1200 stóp (360m). na jej szczycie ma zostać wykonany system zraszaczy który będzie okresowo doprowadzał do wytworzenia zimnej mgły wodnej. Energia do odparowania wody będzie pochodzić z nagrzewania się wieży przez słońce. Mgła wodna jako cięższa będzie opadać wewnątrz wieży z prędkością dochodzącą do 50 mil/h napędzając znajdujące sie u dołu turbiny wiatrowe. Generowana przez nie moc ma sięgać 500MW.

Rys. Po prawej idea wieży słonecznej, u dołu zasada działania

 

 

Projekt ma szanse realizacji, chociaż problemem jest doprowadzenie na duża wysokość odpowiednio dużej ilości wody i jej cena. Koszt inwestycji przewidywany jest na 1,5 mld $.

 

7. Piec słoneczny

 

To najbardziej spektakularna metoda pozyskiwania energii słonecznej. Piec słoneczny zbudowany jest z parabolicznych luster skupiających energię słoneczną w jednym centralnym punkcie. Pokazany na zdjęciu i zbudowany w 1970 roku piec wytwarza temperaturę ponad 3000 C. Energia ta może być spożytkowana do produkcji prądu lub w fizyce wysokich temperatur. 

 

Fot. Piec słoneczny we francuskich Pirenejach w miejscowości Odeillo.

 

Rys. Zasada działania elektrowni słoneczny piec.

 

Z uwagi na to, że zwierciadła paraboliczne zamontowane są tutaj na nieruchomej konstrukcji ściennej, promieniowanie słoneczne dociera do nich w sposób pośredni jako promieniowanie odbite od heliostatów zamocowanych na pobliskim wzgórzu. Całość posiada moc około 1 MW wybudowaną kosztem 2 mln $. Słoneczne piece potrafią generować ogromną energię skupiając ją na niewielkiej powierzchni, stąd   problemy materiałowe, ale jednocześnie możliwość niekonwencjonalnego zastosowania. Obecnie technologię tę można wykorzystywać np.

- do produkcji wodoru

- do produkcji nanorurek węglowych

- do badań materiałów wysokotemperaturowych wykorzystywanych np. w elektrowniach jądrowych

Wadą pieców słonecznych jest  zagrożenie dla ornitofauny z uwagi na oślepiające działanie odbitego światła. Zaleca się budowę tego typu obiektów w rejonach pustynnych.

 

 

Testy
Egzamin zawodowy
Materiały do zajęć
Ciekawe linki

 

 

 

 Internetowe liczniki