Nhà máy nhiệt điện mặt trời tháp, hệ thống tập trung năng lượng mặt trời

Mặt trời là nguồn năng lượng cực kỳ "sạch". Ngày nay, trên khắp thế giới, công việc sử dụng Mặt trời đang phát triển theo nhiều hướng. Trước hết, cái gọi là ngành công nghiệp năng lượng nhỏ đang phát triển, chủ yếu bao gồm sưởi ấm tòa nhà và cung cấp nhiệt. Nhưng các bước nghiêm túc đã được thực hiện trong lĩnh vực năng lượng quy mô lớn - các nhà máy điện mặt trời đang được tạo ra trên cơ sở chuyển đổi quang và chuyển đổi nhiệt. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cho bạn biết về triển vọng của các trạm từ hướng thứ hai.

Công nghệ Năng lượng mặt trời tập trung, được biết đến trên toàn thế giới với tên gọi CSP (Concentrated Solar Power), là một loại nhà máy năng lượng mặt trời sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung một lượng lớn ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ.

Không nên nhầm lẫn CSP với quang điện tập trung — còn được gọi là CPV (quang điện tập trung). Trong CSP, ánh sáng mặt trời tập trung được chuyển thành nhiệt và sau đó nhiệt được chuyển thành điện năng.Mặt khác, trong CPV, ánh sáng mặt trời tập trung được chuyển trực tiếp thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.

Sử dụng công nghiệp của bộ tập trung năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời

Mặt trời gửi một luồng năng lượng bức xạ mạnh mẽ về hướng trái đất. Ngay cả khi chúng ta tính đến việc 2/3 trong số đó bị khí quyển phản xạ và tán xạ, thì bề mặt trái đất vẫn nhận được 1018 kWh năng lượng trong 12 tháng, gấp 20.000 lần so với mức tiêu thụ của thế giới trong một năm.

Đương nhiên là việc sử dụng nguồn năng lượng vô tận này cho các mục đích thực tế luôn có vẻ rất hấp dẫn. Tuy nhiên, thời gian trôi qua, con người tìm kiếm năng lượng đã tạo ra động cơ nhiệt, chặn các dòng sông, tách một nguyên tử và Mặt trời tiếp tục chờ đợi trong đôi cánh.

Tại sao rất khó để kiểm soát năng lượng của mình? Đầu tiên, cường độ bức xạ mặt trời thay đổi trong ngày, điều này cực kỳ bất tiện cho việc tiêu thụ. Điều này có nghĩa là trạm năng lượng mặt trời phải lắp đặt pin hoặc hoạt động cùng với các nguồn khác. Nhưng đây vẫn chưa phải là nhược điểm lớn nhất. Tệ hơn nữa, mật độ bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất rất thấp.

Vì vậy, ở các khu vực phía nam của Nga, nó chỉ là 900 - 1000 W / m2... Điều này chỉ đủ để làm nóng nước trong các bộ thu đơn giản nhất đến nhiệt độ không quá 80 - 90 ° C.

Nó phù hợp để cung cấp nước nóng và một phần để sưởi ấm, nhưng không có trường hợp nào để phát điện. Nhiệt độ cao hơn nhiều là cần thiết ở đây. Để tăng mật độ thông lượng, cần phải thu thập nó từ một khu vực rộng lớn và biến nó từ phân tán sang tập trung.

Sản xuất năng lượng với hệ thống tập trung năng lượng mặt trời

Các phương pháp tập trung năng lượng mặt trời đã được biết đến từ thời cổ đại.Một truyền thuyết đã được lưu giữ về cách Archimedes vĩ đại, với sự trợ giúp của những chiếc gương đồng được đánh bóng lõm, đã đốt cháy hạm đội La Mã đang bao vây nó vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên. NS. Syracuse. Và mặc dù truyền thuyết này không được xác nhận bởi các tài liệu lịch sử, nhưng khả năng nung nóng bất kỳ chất nào ở tiêu điểm của gương parabol đến nhiệt độ 3500-4000 ° C là một sự thật không thể chối cãi.

Nỗ lực sử dụng gương parabol để tạo ra năng lượng hữu ích bắt đầu vào nửa sau của thế kỷ 19. Công việc đặc biệt chuyên sâu đã được thực hiện ở Hoa Kỳ, Anh và Pháp.

Một chiếc gương parabol thí nghiệm sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời ở Los Angeles, Mỹ (khoảng năm 1901).

Năm 1866, Augustin Mouchaud đã sử dụng xi lanh parabol để tạo ra hơi nước trong động cơ hơi nước sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên.

Nhà máy năng lượng mặt trời của A. Mouchaud, được trưng bày tại Triển lãm Công nghiệp Thế giới ở Paris năm 1882, đã gây ấn tượng mạnh với những người đương thời.

Người Ý Alessandro Battaglia ở Genoa (Ý) đã nhận được bằng sáng chế đầu tiên cho bộ thu năng lượng mặt trời vào năm 1886. Trong những năm tiếp theo, các nhà phát minh như John Erickson và Frank Schumann đã phát triển các thiết bị hoạt động bằng cách tập trung năng lượng mặt trời để tưới tiêu, làm mát và di chuyển.

Động cơ năng lượng mặt trời, 1882

Nhà máy năng lượng mặt trời của Frank Schumann ở Cairo

Năm 1912, nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 45 kW được xây dựng gần Cairo với các bộ tập trung hình trụ parabol có tổng diện tích 1200 m22 được sử dụng trong hệ thống thủy lợi. Các ống được đặt ở tiêu điểm của mỗi gương. Các tia nắng mặt trời tập trung trên bề mặt của chúng.Nước trong các đường ống biến thành hơi nước, được thu thập trong một bộ thu chung và đưa vào động cơ hơi nước.

Nói chung, cần lưu ý rằng đây là thời kỳ mà niềm tin vào sức mạnh tập trung tuyệt vời của gương đã chiếm lĩnh tâm trí của nhiều người. Cuốn tiểu thuyết "The Hyperboloid of Engineer Garin" của A. Tolstoy đã trở thành một bằng chứng cho những hy vọng này.

Thật vậy, trong một số ngành công nghiệp, những chiếc gương như vậy được sử dụng rộng rãi. Trên nguyên tắc này, nhiều nước đã xây dựng lò nấu chảy vật liệu chịu lửa có độ tinh khiết cao. Chẳng hạn, Pháp có lò nướng lớn nhất thế giới với công suất 1 MW.

Và những gì về cài đặt để tạo ra năng lượng điện? Ở đây các nhà khoa học đã phải đối mặt với một số khó khăn. Trước hết, chi phí của các hệ thống lấy nét với bề mặt gương phức tạp hóa ra lại rất cao. Ngoài ra, khi kích thước của gương tăng lên, chi phí tăng theo cấp số nhân.

Ngoài ra, khó tạo ra một chiếc gương có diện tích 500 - 600 m2 về mặt kỹ thuật và bạn có thể nhận được không quá 50 kW điện từ nó. Rõ ràng là trong những điều kiện này, công suất đơn vị của bộ thu năng lượng mặt trời bị hạn chế đáng kể.

Và một cân nhắc quan trọng nữa về hệ thống gương cong. Về nguyên tắc, các hệ thống khá lớn có thể được lắp ráp từ các mô-đun riêng lẻ.

Đối với các cài đặt hiện tại của loại này, hãy xem tại đây: Ví dụ về sử dụng bộ tập trung năng lượng mặt trời

Máng parabol được sử dụng tại Nhà máy điện mặt trời tập trung Lockhart gần hồ Harper, California (Dự án năng lượng mặt trời Mojave)

Các nhà máy điện tương tự đã được xây dựng ở nhiều nước. Tuy nhiên, có một nhược điểm nghiêm trọng trong công việc của họ - khó khăn trong việc thu thập năng lượng.Rốt cuộc, mỗi chiếc gương đều có bộ tạo hơi riêng ở tiêu điểm và tất cả chúng đều trải rộng trên một khu vực rộng lớn. Điều này có nghĩa là hơi nước phải được thu thập từ nhiều bộ thu năng lượng mặt trời, điều này rất phức tạp và làm tăng chi phí của trạm.

tháp năng lượng mặt trời

Ngay từ những năm trước chiến tranh, kỹ sư N. V. Linitsky đã đưa ra ý tưởng về nhà máy nhiệt điện mặt trời với bộ thu năng lượng mặt trời trung tâm đặt trên tháp cao (nhà máy điện mặt trời kiểu tháp).

Vào cuối những năm 1940, các nhà khoa học của Viện Nghiên cứu Nhà nước về Năng lượng (ENIN) mang tên V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum và B. A. Garf đã phát triển một khái niệm khoa học về việc tạo ra một nhà ga như vậy. Họ đề xuất loại bỏ những chiếc gương cong đắt tiền phức tạp, thay thế chúng bằng những chiếc kính định nhật phẳng đơn giản nhất.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện mặt trời từ tháp khá đơn giản. Các tia nắng mặt trời được phản xạ bởi nhiều máy định nhật và hướng tới bề mặt của một máy thu trung tâm - một máy tạo hơi nước mặt trời đặt trên tháp.

Theo vị trí của Mặt trời trên bầu trời, hướng của các bộ định nhật cũng tự động thay đổi. Kết quả là, suốt cả ngày, một luồng ánh sáng mặt trời tập trung, được phản chiếu bởi hàng trăm tấm gương, làm nóng máy tạo hơi nước.

Sự khác biệt giữa các thiết kế SPP sử dụng bộ cô đặc parabol, SPP với bộ cô đặc dạng đĩa và SPP từ tháp

Giải pháp này hóa ra lại đơn giản như ban đầu. Nhưng điều quan trọng nhất là về nguyên tắc, có thể tạo ra các nhà máy điện mặt trời lớn với công suất đơn vị hàng trăm nghìn kW.

Kể từ đó, khái niệm nhà máy nhiệt điện mặt trời kiểu tháp đã được công nhận trên toàn thế giới. Chỉ đến cuối những năm 1970, các trạm như vậy có công suất từ ​​0,25 đến 10 MW mới được xây dựng ở Mỹ, Pháp, Tây Ban Nha, Ý và Nhật Bản.

Tháp năng lượng mặt trời SES Themis ở Pyrenees-Orientales ở Pháp

Theo dự án này của Liên Xô, năm 1985 tại Crimea, gần thành phố Shtelkino, một nhà máy điện mặt trời dạng tháp thử nghiệm có công suất 5 MW (SES-5) đã được xây dựng.

Trong SES-5, một máy tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời hình tròn mở được sử dụng, các bề mặt của chúng, như người ta nói, có thể đón được mọi luồng gió. Do đó, ở nhiệt độ môi trường thấp và tốc độ gió cao, tổn thất đối lưu tăng mạnh và hiệu quả giảm đáng kể.

Máy thu loại khoang hiện được cho là hiệu quả hơn nhiều. Tại đây, tất cả các bề mặt của máy tạo hơi nước đều được đóng lại, do đó tổn thất đối lưu và bức xạ giảm mạnh.

Do các thông số hơi nước thấp (250°C và 4MPa), hiệu suất nhiệt của SES-5 chỉ là 0,32.

Sau 10 năm hoạt động, năm 1995 SES-5 ở Crimea bị đóng cửa, đến năm 2005 tháp được bàn giao để làm phế liệu.

Mô hình SES-5 trong Bảo tàng Bách khoa

Các nhà máy năng lượng mặt trời dạng tháp hiện đang hoạt động sử dụng các thiết kế và hệ thống mới sử dụng muối nóng chảy (40% kali nitrat, 60% natri nitrat) làm chất lỏng vận hành. Những chất lỏng làm việc này có nhiệt dung cao hơn nước biển, được sử dụng trong các cài đặt thử nghiệm đầu tiên.

Sơ đồ công nghệ nhà máy nhiệt điện mặt trời hiện đại

Nhà máy năng lượng mặt trời tháp hiện đại

Tất nhiên, nhà máy điện mặt trời là một lĩnh vực kinh doanh mới, phức tạp và đương nhiên có đủ đối thủ. Nhiều nghi ngờ mà họ bày tỏ có lý do khá chính đáng, nhưng người ta khó có thể đồng ý với người khác.

Ví dụ, người ta thường nói rằng cần có diện tích đất lớn để xây dựng các nhà máy điện mặt trời dạng tháp. Tuy nhiên, không thể loại trừ các khu vực sản xuất nhiên liệu cho hoạt động của các nhà máy điện truyền thống.

Có một trường hợp khác thuyết phục hơn ủng hộ các nhà máy điện mặt trời dạng tháp. Riêng diện tích đất bị ngập bởi các hồ chứa nhân tạo của các nhà máy thủy điện là 169 ha/MW, cao gấp nhiều lần so với chỉ tiêu của các nhà máy điện mặt trời đó. Hơn nữa, trong quá trình xây dựng các nhà máy thủy điện, những vùng đất màu mỡ rất có giá trị thường bị ngập lụt và các SPP tháp được cho là được xây dựng ở vùng sa mạc - trên những vùng đất không thích hợp cho nông nghiệp cũng như xây dựng các cơ sở công nghiệp.

Một lý do khác để chỉ trích SPP tháp là mức tiêu thụ vật liệu cao của chúng. Thậm chí còn có nghi ngờ liệu SES có thể trả lại năng lượng đã chi cho việc sản xuất thiết bị và thu được vật liệu được sử dụng để xây dựng nó trong thời gian hoạt động ước tính hay không.

Thật vậy, việc lắp đặt như vậy cần nhiều vật liệu, nhưng điều cần thiết là hầu như tất cả các vật liệu dùng để xây dựng các nhà máy điện mặt trời hiện đại đều không bị thiếu hụt.Các tính toán kinh tế được thực hiện sau khi khởi động các nhà máy điện mặt trời tháp hiện đại đầu tiên cho thấy hiệu quả cao và thời gian hoàn vốn khá thuận lợi (xem bên dưới để biết ví dụ về các dự án thành công về mặt kinh tế).

Một dự trữ khác để tăng hiệu quả của các nhà máy điện mặt trời có tháp là việc tạo ra các nhà máy lai, trong đó các nhà máy năng lượng mặt trời sẽ làm việc cùng với các nhà máy nhiệt điện thông thường sử dụng nhiên liệu truyền thống. nhà máy giảm công suất và "tăng tốc" trong thời tiết nhiều mây và ở mức tải cao nhất.

Ví dụ về các nhà máy điện mặt trời hiện đại

Vào tháng 6 năm 2008, Bright Source Energy đã mở một trung tâm phát triển năng lượng mặt trời ở sa mạc Negev của Israel.

Trên trang web nó nằm trong khu công nghiệp Rotema, hơn 1.600 kính định nhật đã được lắp đặt để đi theo mặt trời và phản chiếu ánh sáng lên tháp năng lượng mặt trời cao 60 mét. Năng lượng tập trung sau đó được sử dụng để làm nóng lò hơi trên đỉnh tháp đến 550°C, tạo ra hơi nước được đưa đến một tuabin để tạo ra điện. Nhà máy điện công suất 5 MW.

Vào năm 2019, cùng một công ty đã xây dựng một nhà máy điện mới ở sa mạc Negev —Ashalim… Toya Bao gồm ba phần với ba công nghệ khác nhau, nhà máy kết hợp ba loại năng lượng: nhiệt năng mặt trời, năng lượng quang điện và khí tự nhiên (nhà máy điện lai). Công suất lắp đặt của tháp năng lượng mặt trời là 121 MW.

Trạm bao gồm 50.600 thiết bị định nhật được điều khiển bằng máy tính, đủ cung cấp điện cho 120.000 hộ gia đình. Chiều cao của tháp là 260 mét.Nó từng là tháp cao nhất thế giới, nhưng gần đây đã bị vượt qua bởi tháp năng lượng mặt trời cao 262,44 mét tại Công viên năng lượng mặt trời Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Một nhà máy điện trên sa mạc Negev ở Israel

Vào mùa hè năm 2009, công ty eSolar của Mỹ đã xây dựng một tháp năng lượng mặt trời Tháp năng lượng mặt trời Sierra đối với nhà máy điện 5 MW đặt tại Lancaster, California, cách Los Angeles khoảng 80 km về phía Bắc Nhà máy điện có diện tích khoảng 8 ha tại một thung lũng khô hạn phía Tây sa mạc Mojave ở vĩ độ 35°N.

Tháp năng lượng mặt trời Sierra

Kể từ ngày 9 tháng 9 năm 2009, dựa trên ví dụ về các nhà máy điện hiện có, người ta ước tính rằng chi phí xây dựng một nhà máy điện mặt trời dạng tháp (CSP) là 2,5 đến 4 USD mỗi watt, trong khi nhiên liệu (bức xạ mặt trời) là miễn phí. . Do đó, việc xây dựng một nhà máy điện như vậy với công suất 250 MW có giá từ 600 đến 1000 triệu đô la Mỹ. Điều này có nghĩa là từ 0,12 đến 0,18 đô la / kWh.

Người ta cũng nhận thấy rằng các nhà máy CSP mới có thể cạnh tranh về mặt kinh tế với nhiên liệu hóa thạch.

Nathaniel Bullard, một nhà phân tích tại Bloomberg New Energy Finance, ước tính rằng chi phí điện do nhà máy điện mặt trời Iwanpa, ra mắt vào năm 2014, thấp hơn so với điện được tạo ra bởi nhà máy điện quang điện, và gần giống như điện từ nhà máy điện khí tự nhiên.

Nổi tiếng nhất trong các nhà máy điện mặt trời ở thời điểm hiện tại là nhà máy điện đá quý có công suất 19,9 MW, nằm ở phía tây thành phố Esia của Andalusia (Tây Ban Nha). Nhà máy điện được khánh thành bởi Vua Juan Carlos của Tây Ban Nha vào ngày 4 tháng 10 năm 2011.

nhà máy điện mặt trời đá quý

Dự án này đã nhận được khoản tài trợ 5 triệu euro từ Ủy ban Châu Âu, sử dụng công nghệ được thử nghiệm bởi công ty Mỹ Solar Two:

• 2.493 kính định nhật với tổng diện tích 298.000 m2 sử dụng kính có độ phản xạ tốt hơn, thiết kế đơn giản giúp giảm 45% chi phí sản xuất.

• Một hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt lớn hơn với công suất 8.500 tấn muối nóng chảy (nitrat), cung cấp khả năng tự chủ trong 15 giờ (khoảng 250 MWh) khi không có ánh sáng mặt trời.

• Thiết kế bơm cải tiến cho phép bơm muối trực tiếp từ bể chứa mà không cần bể lắng.

• Hệ thống tạo hơi nước bao gồm tuần hoàn cưỡng bức hơi nước.

• Tua bin hơi với áp suất cao hơn và hiệu suất cao hơn.

• Mạch tuần hoàn muối nóng chảy được đơn giản hóa, giảm một nửa số lượng van cần thiết.

Nhà máy điện (tháp và kính định nhật) có tổng diện tích 190 ha.

Tháp năng lượng mặt trời SPP Gemasolar

Abengoa đã xây dựng Này nắng ở Nam Phi — một nhà máy điện cao 205 mét và công suất 50 MW. Lễ khai mạc diễn ra vào ngày 27 tháng 8 năm 2013.

Này nắng

Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời Ivanpah — một nhà máy điện mặt trời 392 megawatt (MW) ở Sa mạc Mojave của California, cách Las Vegas 40 dặm về phía tây nam. Nhà máy điện được đưa vào vận hành thử nghiệm vào ngày 13 tháng 2 năm 2014.

Hệ thống phát điện năng lượng mặt trời Ivanpah

Sản lượng hàng năm của SPP này đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của 140.000 hộ gia đình. Đã lắp đặt 173.500 gương định nhật tập trung năng lượng mặt trời vào các máy tạo hơi nước nằm trên ba tháp năng lượng mặt trời trung tâm.

Vào tháng 3 năm 2013, một thỏa thuận đã được ký kết với Bright Source Energy để xây dựng một nhà máy điện Cháy ở California, bao gồm hai tòa tháp cao 230 m (mỗi tòa 250 MW), dự kiến ​​vận hành vào năm 2021.

Các nhà máy điện tháp năng lượng mặt trời đang hoạt động khác: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Morocco, 2014), Crescent Dunes (Nevada, USA, 2016), SUPCON Delingha và Shouhang Đôn Hoàng (Kathai, cả hai năm 2018.), Gonghe, Luneng Haixi và Hami (Trung Quốc, tất cả năm 2019), Cerro Dominador (Chile, tháng 4 năm 2021).

Một giải pháp sáng tạo cho năng lượng mặt trời

Bởi vì công nghệ này hoạt động tốt nhất ở những khu vực có bức xạ mặt trời cao (bức xạ mặt trời), các chuyên gia dự đoán rằng sự tăng trưởng lớn nhất về số lượng nhà máy điện mặt trời dạng tháp sẽ ở những nơi như Châu Phi, Mexico và Tây Nam Hoa Kỳ.

Người ta cũng tin rằng năng lượng mặt trời tập trung có triển vọng nghiêm trọng và nó có thể cung cấp tới 25% nhu cầu năng lượng của thế giới vào năm 2050. Hiện tại, hơn 50 dự án mới của loại nhà máy điện này đang được phát triển trên thế giới.