Солнечные тепловые электрогенераторы: концентраторы, камины, конвертеры

12 February 2018

Раньше было:

Энергетика устойчивого будущего
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Сценарии развития энергетики до 2030 года
Сила, энергия и мощность
Солнечная тепловая энергия. Солнечный водонагреватель на крыше
Солнечная тепловая энергия для получения бытовой тепловой энергии
Солнечная радиация и времена года
Солнечная тепловая энергия и удивительные свойства стекла
Механизмы тепловых потерь стекла и U–показатель
Солнечная тепловая энергия и низкотемпературное оборудование в домах
Обогрев пространства жилого дома солнечным светом
Прямое использование солнечной энергии в доме. Зимний сад, нагрев бассейна, стена Тромбе
Активное солнечное нагревание. История вопроса и компоненты солнцесборников
Активное солнечное нагревание дома и воды для дома
Пассивное солнечное нагревание. Баланс энергии окна
Общие методы пассивного солнечного нагрева
Солнечная тепловая энергия и затемнение. Зимние сады, теплицы и атриумы
Солнечная энергетика. Дневной свет для освещения - как использовать максимально
Солнечные тепловые двигатели и электрогенераторы
История и эффективность солнечных двигателей
Про солнечные двигатели и энергетические башни

Параболические концентрационные системы в виде блюда

Вместо передачи солнечного тепла от солнцесборника вниз к отдельно стоящему двигателю, применяется и другой подход: можно поместить двигатель непосредственно в центре зеркала. Этот принцип использован в двигателях Стирлинга:


Двигатели Стирлинга на солнечной энергии производства компании «Боинг».

Двигатели Стирлинга имеют долгую историю использования. Они были изобретены еще в 1816 году. Такие двигатели были установлены на паровозах. Но их использование было проблемным из-за высоких температур теплоносителя (выше 700°C). Благодаря использованию новых материалов современные двигатели Стирлинга могут быть работать при температурах до 1000°C, что дает более высокую эффективность. Современные экспериментальные солнечные системы, использующие этот принцип, позволяют получить очень высокую полную конверсионную эффективностью, которая приближается к 30% в среднем за день.

Параболические зеркала также подвергаются интересным экспериментальным изменениям в Германии. Вместо тяжелых стеклянных зеркал используют круглые листы пластмассы, покрытые алюминием. Создавая частичный вакуум за таким зеркалом, его изгибают в параболическую форму. Это создает очень легковесное зеркало, которое в свою очередь требует легковесную поддерживающую и поворачивающую структуру.

Солнечные водоемы

Полностью другой подход к производству солнечного теплового электричества - солнечный водоем, который использует большое соленое озеро в качестве своего рода плоского солнцесборника:


Солнечный водоем, используемый для управления паровой теплотурбиной.

Перевод надписей:

Солнечный свет
Легкая пресная вода 30°С
Тяжелая соленая вода 90°С
К холодной части турбины
Холодная вода
Жидкость
Генератор
Конденсатор
Турбина
Пар
Насос
Горячая вода
К горячей части турбины

Если озеро имеет правильный градиент солевой концентрации воды (соленая вода внизу - пресная вверху), то достаточно много солнечной энергии поглощается внизу водоема.

Горячая соленая вода не может подниматься вверх, так как она тяжелее, чем пресная вода вверху. Верхние слои воды фактически действуют как изолирующее одеяло, и температура внизу водоема может достичь 90°C. Этого вполне достаточно для нагрева до температуры, необходимой для работы двигателя с ORC-циклом (видео на английском).

Термодинамические ограничения относительно низких температур подразумевают низкую эффективность конверсии солнечного теплоэлектричества - обычно менее 2%. Однако, 50 МВт электростанция, получающая энергию от озера площадью 20 га, уже построена.

Одно преимущество этой системы в том, что большая тепловая масса водоема работает как теплохранилище, и производство электричества может продолжаться и днем, и ночью, как это и требуется.

На практике, система имеет и значительные проблемы в использовании: большие количества пресной воды затрудняют поддержание правильного солевого градиента. Также трудно найти выгодное местоположение солнечного водоема, хотя подходят пустыни. Как раз там можно начать опреснение воды за счет производимого тепла. Можно создавая достаточно пресной воды, чтобы поддерживать работу фабрики, и для питьевых нужд.

Хотя изначально такая система была предложена изобретателем Гарри Табор (Harry Tabor) из Израиля, первые коммерческие системы были построены в США и Саудовской Аравии.

Солнечные водоемы действительно неэффективны в северных широтах северного полушария, так как поверхность для теплосбора наклонена большую часть суток под большим углом к солнцу. Их лучшее местоположение - в регионах мира, где есть естественные плоские соленые пустыни.

Океаническая тепловая конверсия энергии (OTEC)

Океаническая (морская) тепловая конверсия энергии, при которой море используется в качестве солнцесборника, позволяет использовать разницу температуры сорской воды на разных глубинах для получения энергии. Вода вверху теплее, чем на глубине. При разнице глубин в 1000 м разница температур составляет примерно 20°C.


Плавающие платформы OTEC

Теплая вода
Вход
Выход
Швартовочный тросс
Передающий кабель
Холодная вода

Хотя теоретическая эффективность системы небольшая, и ORC-систему нужно постоянно подстраивать для нагревания на искомую температуру, зато постоянно доступно чрезвычайно большое количество воды.

Первые же эксперименты на судне в Карибском море в 1930-х были вполне успешны. Но воду пришлось поднимать с очень большой глубины, чтобы получить существенную температурную разницу, и система едва производила чуть большую энергию, чем ее было использовано при перекачке.

Позже были проведены масштабные эксперименты в Тихом Океане, и с бóльшим успехом. Было опробовано много схем оборудования. Были также огромные технические трудности. Станции ОТЕС, производящией 10 МВт электричества, нужно было бы прокачивать насосами приблизительно 500 м3 в секунду как теплой, так и холодной воды через теплообменники, при этом оставаясь в море на глубине 1 000 метров.

Солнечные камины

Солнечный камин (еще переводится как дымоход или паропровод) использует теплый воздух, нагретый в очень большой теплице. Теплый воздух поднимается вверх по высокой трубе и вращает воздушную турбину в основании трубы камина. Турбина генерирует электричество. Все это кажется достаточное простым. Но вот что не просто, так это масштаб строительства. Прототип такой системы мощностью 50 кВт строился в Манзанаресе (Mаnzаnаres) в Испании в 1981 году для теплосбора из теплицы диаметром 240 м, из которой теплый воздух выходил по трубе высотой 195 метров.


Солнечный камин в Манзанарес в Испании.

Такие системы достаточно финансоемкие. В солнечных регионах мира оптимальный по стоимости завод (вероятно, настолько дорогой, насколько это рационально) мог бы производить 100 МВт электроэнергии, используя солнцесборник диаметром 3,6 км и воздушную трубу высотой 950 м (Sхlаiх, 1995). Однако из-за того, что такая система производит только теплый воздух (нагрев которого теоретически не превышает 35°C), полная эффективность была бы низкой - около 1,3%. Такая система требовала бы значительно бóльшую сухопутную область, чем система с аналогичной производительностью, но использующая высокотемпературные концентрирующие солнцесборники.

Продолжение следует

Обсудить в моем Живом журнале

Каталог первых трех разделов перевода Оксфордского учебника

Также рекомендую:

Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной