WYKŁAD_3.pdf

Wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem odnawialnych zasobów

energii.

Wykład trzeci Elektrownie słoneczne

Autorzy: Prof. nzw. dr hab. in Ň . Józef Paska, mgr in Ň . Mariusz Sałek, mgr in Ň Tomasz

Surma

(„Energetyka” – marzec 2005)

Energia słoneczna mo Ň e by ę przetwarzana na ciepło lub na energi ħ elektryczn Ģ . Przy

konwersji na ciepło, promieniowanie słoneczne ogrzewa płyn roboczy, który spełnia funkcj ħ

przeka Ņ nika ciepła (stosunkowo rzadko s Ģ stosowane pompy ciepła). Produkcja energii

elektrycznej z energii słonecznej w elektrowniach słonecznych mo Ň e odbywa ę si ħ dwiema

metodami:

• po Ļ redni Ģ , zwan Ģ równie Ň termodynamiczn Ģ (heliotermiczna), zwi Ģ zan Ģ z wytworzeniem

ciepła czynnika termodynamicznego elektrowni cieplnej; proces technologiczny elektrowni

słonecznej jest w tym przypadku prawie identyczny jak w klasycznej elektrowni cieplnej, z

tym Ň e funkcj ħ kotła parowego spełnia kocioł słoneczny (rozwi Ģ zania przedstawione na rys.

11 a i b);

• bezpo Ļ redni Ģ (fotowoltaiczna), polegaj Ģ c Ģ na wykorzystaniu przetworników

fotoelektrycznych i termoemisyjnych (głównie fotoelektrycznych -ogniw słonecznych).

Heliotermiczny system wytwarzania energii elektrycznej składa si ħ z co najmniej czterech

elementów: urz Ģ dzenia do koncentracji promieniowania słonecznego, systemu do

przetwarzania skoncentrowanych promieni słonecznych w ciepło czynnika roboczego, układu

przesyłu czynnika oraz układu generuj Ģ cego energi ħ elektryczn Ģ .

Spotykane s Ģ dwa zasadnicze typy elektrowni:

1) zdecentralizowany, w którym wiele odbiorników przetwarza energi ħ słoneczn Ģ w ciepło

przesyłane nast ħ pnie do obiektu centralnego;

2) scentralizowany, w którym układ nad ĢŇ aj Ģ cych za Sło ı cem zwierciadeł (hełiostatów)

przekazuje energi ħ do centralnego odbiornika, umieszczonego na wie Ň y (elektrownie

heliotermiczne typu wie Ň owego); zalet Ģ układu jest brak przesyłu czynnika roboczego za

pomoc Ģ systemu rur, wymaga on jednak precyzyjnego Ļ ledzenia Sło ı ca i koncentracji

promieni na odbiorniku centralnym (rys. 11 b).

Ze wzgl ħ du na przerwy w nasłonecznieniu mo Ň e by ę celowe wprowadzenie do układu

elektrowni heliotermicznej urz Ģ dzenia do akumulacji ciepła lub dodatkowego kotła na paliwo

ciekłe lub gazowe. Po wprowadzeniu kotła dodatkowego powstaje układ hybrydowy

(kombinowany) elektrowni słonecznej heliotermicznej (rys. 11 b).

Przy wykorzystaniu metody po Ļ redniej pozyskiwanie energii promieniowania Sło ı ca jest

mo Ň liwe dzi ħ ki zastosowaniu:

• płaskich kolektorów słonecznych,

• koncentracji liniowej lub punktowej,

• koncentracji heliostatycznej (rys. 12).

Płaskie kolektory słoneczne poddane bezpo Ļ redniemu działaniu promieniowania słonecznego

pozwalaj Ģ uzyska ę jedynie stosunkowo niskie temperatury czynnika roboczego (80-90°C), a

zatem mog Ģ by ę stosowane do ogrzewania oraz w elektrowniach słonecznych

heliotermicznych dwuczynnikowych, z niskowrz Ģ cym głównym czynnikiem roboczym, jak

np. freon. Płaskie kolektory słoneczne (rys. 12 a) maj Ģ prost Ģ budow ħ oraz t ħ zalet ħ , Ň e

wykorzystuj Ģ tak Ň e rozproszone promieniowanie Sło ı ca. Ze wzgl ħ du jednak na mał Ģ

sprawno Ļę i wynikaj Ģ c Ģ z tego konieczno Ļę pokrywania nimi du Ň ych powierzchni s Ģ mniej

efektywne ekonomicznie od kolektorów koncentruj Ģ cych.

W przypadku zastosowania płaskich kolektorów słonecznych w układzie elektrowni

heliotermicznej (typu 1) ogrzana w kolektorach woda jest przekazywana do zbiornika

centralnego. Nast ħ pnie woda z warstwy powierzchniowej zbiornika oddaje ciepło w

wymienniku - generatorze pary czynnika niskowrz Ģ cego (np. freon) i wraca do zbiornika, a

nast ħ pnie jest tłoczona z powrotem do systemu kolektorów (rys. 11 a). Para freonu nap ħ dza

turbin ħ i sprz ħŇ ony z ni Ģ generator elektryczny. Mo Ň liwe do uzyskania sprawno Ļ ci s Ģ

niewielkie - poni Ň ej 10%. Koncepcja budowy elektrowni słonecznej z czynnikiem

niskowrz Ģ cym, zasilanej z baterii płaskich kolektorów słonecznych, mimo Ň e znana od

dawna, nie znalazła praktycznego zastosowania.

Koncentracja promieniowania słonecznego pozwała uzyskiwa ę temperatury nawet do 3500°C

- praktyczne zastosowanie znalazła koncentracja polegaj Ģ ca na wykorzystaniu

zwierciadlanych koncentratorów parabolicznych rynnowych (rys. 12 b)

- ognisko liniowe, talerzowych - ognisko punktowe oraz systemów płaskich zwierciadeł

Ļ ledz Ģ cych, zwanych heliostatami (rys. 12 c).

W przypadku koncentratorów parabolicznych stopie ı koncentracji promieniowania wynosi od

150 do 300 - talerzowe i 30 do 70 - rynnowe. Kolektory słoneczne z koncentratorami

parabolicznymi s Ģ stosowane w elektrowniach heliotermicznych zdecentralizowanych (typ 1)

ł pozwalaj Ģ uzyskiwa ę temperatury czynnika roboczego: do 750°C - talerzowe, do 400°C -

rynnowe. Kolektory rynnowe umo Ň liwiaj Ģ Ļ ledzenie pozornego ruchu Sło ı ca w jednej tylko

płaszczy Ņ nie (pionowej), podczas gdy kolektory talerzowe s Ģ wyposa Ň one w urz Ģ dzenia do

Ļ ledzenia pozornego ruchu Sło ı ca, zarówno w płaszczy Ņ nie poziomej, jak i pionowej. Jednak

kolektory rynnowe maj Ģ przewag ħ pod wzgl ħ dem strat ciepła przy transporcie czynnika

roboczego z umieszczonego w ognisku odbiornika promieniowania do wymiennika ciepła.

Pocz Ģ wszy od 1984 r. firma LUZ Corporation z Los Angeles rozpocz ħ ła budow ħ na pustyni

Mojave w Kramer Junction w Kalifornii szeregu elektrowni heliotermicznyeh

zdecentralizowanych. W skład elektrowni wchodzi 9 bloków energetycznych

przekazywanych sukcesywnie w latach 1986-1991, zwanych w skrócie SEGS (Solar Electric

Generation System). Pierwszy z bloków, SEGS-1, ma moc elektryczn Ģ 13,8 MW, sze Ļę

nast ħ pnych po 30 MW, a dwa ostatnie po 80 MW. Obecnie elektrownia ta jest najwi ħ ksz Ģ

elektrowni Ģ słoneczn Ģ na Ļ wiecie o mocy elektrycznej 354 MW.

Oprócz parowego obiegu słonecznego instalacja SEGS ma drugi obieg parowy z wytwornic Ģ

pary na gaz ziemny. Udział w produkcji energii elektrycznej obiegu słonecznego wynosi

Ļ rednio 70%. Na rysunku 13 przedstawiono uproszczony schemat tej elektrowni

Podstawowy element instalacji SEGS - kolektory rynnowe s Ģ budowane w trzech modelach:

LS-1, LS-2 i LS-3. Ich podstawowe dane zawiera tabela 7.

Rury absorpcyjne przechodz Ģ ce przez ogniskowe zwierciadeł rynien parabolicznych s Ģ

pokryte warstw Ģ czarnego chromu i znajduj Ģ si ħ wewn Ģ trz rur szklanych pró Ň niowych dla

unikni ħ cia strat cieplnych. Czynnikiem roboczym jest olej termiczny. Koszty jednostkowe

modelu LS-1, wynosz Ģ ce 600 USD/m 2 , zostały w modelu LS-2 obni Ň one do 600 USD/m 2 . W

instalacjach SEGS-6 i SEGS-7 uzyskuje si ħ parametry przedstawione w tabeli 8.

Koszty wytwarzania energii elektrycznej zmalały z ok. 23 USc/(kWh) w pierwszej instalacji

firmy LUZ, do ok. 10 USc/(kWh) w instalacji SEGS-7. Je Ļ li moc instalacji zostanie

zwi ħ kszona do 80 MW, koszt produkcji energii elektrycznej przy ruchu czysto słonecznym

wyniesie 7-8 USc/(kWh), a w przyszło Ļ ci zmaleje do 5-6 centów.

Alternatywne rozwi Ģ zanie elektrowni heliotermiczne (typ 2) pozwala uzyska ę zdecydowanie

wy Ň sze temperatury ni Ň jest to mo Ň liwe przy wykorzystaniu zwierciadeł parabolicznych.

Systemy płaskich zwierciadeł Ļ ledz Ģ cych, zwanych heliostatami, pozwalaj Ģ na kon-

centrowanie promieni słonecznych na odbiorniku -kotle parowym, umieszczonym na

odpowiednio wysokiej wie Ň y. Układ elektrowni w pozostałej cz ħĻ ci w zasadzie nie ró Ň ni si ħ

od układu konwencjonalnej elektrowni parowej. Elektrownie tego typu (wie Ň owe) mog Ģ by ę

wyposa Ň one w układ do akumulacji energii (ciepła) lub dodatkowy kocioł parowy. Uzyskuje

si ħ dzi ħ ki temu powi ħ kszenie rocznego czasu wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni

oraz obni Ň enie jednostkowego kosztu wytwarzania energii elektrycznej.

Zasadniczy element składowy elektrowni heliotermicznej typu wie Ň owego stanowi pole

heliostatów o kształcie koła (SPP-5) lub elipsy (Solar One) z wie ŇĢ w punkcie centralnym,

b Ģ d Ņ te Ň sektora (Themis) z wie ŇĢ zlokalizowan Ģ na w ħŇ szym jego skraju. Heliostaty (rys. 12

c) s Ģ wyposa Ň one w układy steruj Ģ ce, zapewniaj Ģ ce precyzyjne Ļ ledzenie pozornego ruchu

Sło ı ca, dzi ħ ki mo Ň liwo Ļ ci obrotu wokół dwóch osi. Musz Ģ one wytrzymywa ę du Ň e

napr ħŇ enia powodowane działaniem wiatru, a tak Ň e powinny da ę si ħ ustawia ę w dowolnym

poło Ň eniu poza obszarem pracy: pionowo - osłona przed gradem, poziomo - ochrona przed

silnym wiatrem, do góry dnem - ochrona powierzchni przed burz Ģ piaskow Ģ .

Pierwsz Ģ niewielk Ģ elektrowni ħ tego typu o mocy 100 kW wybudowano w pobli Ň u Genui i

oddano do eksploatacji w 1972 r. (Francuzi uwa Ň aj Ģ , Ň e to oni jako pierwsi na Ļ wiecie

wybudowali elektrowni ħ słoneczn Ģ ; listopad 1976 r., Odeillo w Pirenejach). W latach

siedemdziesi Ģ tych i osiemdziesi Ģ tych zbudowano i zaprojektowano wiele elektrowni tego

typu, w tym jedn Ģ z najwi ħ kszych elektrowni słonecznych typu wie Ň owego Solar One (10

MW) w Dagett, California (Barstow). Ich wa Ň niejsze dane zawiera tabela 9. Najwa Ň niejszy

obecnie jest projekt Phoebus, opracowany przez konsorcjum, w skład którego wchodz Ģ :

niemiecki program technologiczny GAST, szwajcarskie studium Metaroz i studium

ameryka ı skie, przewiduj Ģ cy budow ħ w Jordanii elektrowni wie Ň owej o mocy 30 MW. Sukces

projektu pozwoli na odbudow ħ nieco nadw Ģ tlonego zaufania co do perspektyw tego

rozwi Ģ zania

Pole heliostatów elektrowni Solar One zajmuje obszar ok. 30 ha i ma kształt elipsy. Ka Ň dy

heliostat zawiera 12 zwierciadeł o ł Ģ cznej powierzchni 40 m 2 i wa Ň y 1155 kg. Heliostaty

przekazuj Ģ moc ok. 40 MW, w postaci ciepła, do centralnego absorbera, zbudowanego z 24

wi Ģ zek rur o Ļ rednicy wewn ħ trznej 6,8 mm i zewn ħ trznej 12 mm. Rury s Ģ wykonane ze

specjalnego stopu Incaloy 800 (48% Fe, 32% Ni, 20% Cr). Para z absorbera o parametrach

516°C, 10,35 MPa zasila turbin ħ parow Ģ , a jej nadmiar po schłodzeniu do temperatury ok.

316°C przechodzi do zasobnika (akumulatora) ciepła, wykonanego w postaci cylindrycznego

zbiornika o wysoko Ļ ci 14,5 m i Ļ rednicy 19 m, wypełnionego Ň wirem zmieszanym z olejem

termicznym.

Akumulator ciepła pozwala na prac ħ elektrowni z moc Ģ 7 MW przez 7 dni po 4 h dziennie.

Nakłady inwestycyjne budowy elektrowni wyniosły: Solar One - 15 000, Themis - 12 000,

Eurelios - 12 000, Cesa-1 - 15 000 USD/kW.

Sprawno Ļ ci elektrowni heliotermicznych typu wie Ň owego nieznacznie przekraczaj Ģ 20%.

Metoda bezpo Ļ rednia polega na wykorzystaniu do produkcji energii elektrycznej generatorów

fotoelektrycznych, termoelektrycznych lub termoemisyjnych [15, 16]. Najszersze

zastosowanie znalazły fotoogniwa (ogniwa słoneczne) krzemowe. ĺ wiatowy rynek ogniw

słonecznych ocenia si ħ obecnie na ok. 40 MW/a, za Ļ elektrownie słoneczne fotowoltaiczne s Ģ

uwa Ň ane za najbardziej perspektywiczne. S Ģ one jeszcze bardzo drogie, lecz ich koszt

systematycznie maleje. Wytworzenie 1 kWh energii elektrycznej na drodze fotowoltaicznej

kosztowało w 1973 r. 60 USD, l USD w 1980 r. i 20-30 USc. obecnie. Aktualny koszt jest

jednak jeszcze ok. pi ħ ciokrotnie wy Ň szy ni Ň koszt energii elektrycznej z elektrowni

konwencjonalnych.

Sprawno Ļ ci ogniw słonecznych osi Ģ gn ħ ły w warunkach laboratoryjnych warto Ļ ci: 28,5%

(ogniwa z krzemu monokrystalicznego) oraz 35% (ogniwa dwukaskadowe z arsenku galu).

Praktycznie uzyskiwane sprawno Ļ ci s Ģ mniejsze i nie przekraczaj Ģ 20%. Powierzchnia

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: