CC BY
53
УДК 621.311.11
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
В УСЛОВИЯХ ИРАКА
© 2013 г. Мохаммед Камил Али Гази, Н.Н. Ефимов
Мохаммед Камил Али Гази - аспирант, кафедра «Тепловые Mohammed Kamil Ali Ghazi - post-graduate student, depart-электрические станции и теплотехника», Южно-Российский ment «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineer-государственный политехнический университет (НПИ) ing», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). имени М.И. Платова. E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, Efmov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, зав. кафедрой «Тепловые электрические станции и тепло- professor, head of department «Thermal Power Stations and техника», Южно-Российский государственный политехни- Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Poly-ческий университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: technic University (NPI). E-mail: [email protected] [email protected]
Представлены технологии использования солнечной энергии в солнечных тепловых электростанциях, которые могут применяться в условиях Ирака. Рассматриваются конфигурации и операционные системы параболических солнечных коллекторов, используемых в производстве электроэнергии, которые считаются наиболее применимы в установках концентрированной солнечной энергии (CSP).
Ключевые слова: технологии производства солнечной энергии; концентраторы солнечной энергии; солнечные тепловые электростанции.
The article presents the technology of solar energy in solar thermal power plants that can be used in Iraq. We consider the configurations and operating systems of parabolic solar collectors used in power generation, which are considered the most useful in the concentrated solar power plants (CSP).
Keywords: the solar power generation technologies; concentrated solar power; solar thermal power plants.
Мировая потребность в энергии постоянно увеличивается, что неизбежно повышает спрос на использование альтернативных источников энергии. В этом смысле солнце - один из самых богатых источников энергии и практически неисчерпаемый. Солнечная энергия, полученная в форме радиации, может быть напрямую или косвенно преобразована в другие формы энергии, такие как тепло и электричество [1]. Достигнув земной атмосферы, солнечное излучение распадается на две компоненты - прямую нормальную и диффузионную. Излучение, которое рассеивается воздухом, молекулами воды и пыли в атмосфере, называется диффузионной компонентой. Прямая нормальная компонента излучения представляет собой ту часть солнечной радиации, достигающей поверхности земли, которая не была рассеяна или поглощена атмосферой. Она является интегральной величиной, определяющей ту часть нормального излучения, которая достигла земли за определенный промежуток времени (Дж/м2 или (кВт-ч)/м2). Концентраторы солнечной энергии (CSP), или технологии гелиотермальной энергетики, могут использовать только прямое излучение. Вторая часть - диффузионное излучение - не может быть преобразована в прямую радиацию и поэтому бесполезна для CSP. Как правило, территории с годовым объемом прямого излучения больше 1800 (кВт-ч)/м2 рассматриваются как потенциальные точки для развития CSP. Наибольший потенциал у системы CSP имеется в «солнечном поясе» Земли, который расположен между 20-м градусом южной широты и 40-м градусом северной широты [2].
В солнечных тепловых электростанциях солнечная энергия поглощается в форме тепла, которое затем преобразуется в электричество. Преобразование тепловой солнечной энергии в электричество может быть произведено разными путями. Технологии производства солнечной энергии можно разделить на два основных типа:
1. Солнечные фотоэлектрические системы;
2. Технологии использования концентраторов солнечной энергии.
При использовании солнечных фотоэлектрических систем солнечный свет, падающий на фотоэлектрический элемент, напрямую преобразуется в постоянный электрический ток, который затем преобразуется в переменный ток с помощью инвертора.
На электростанциях, использующих концентраторы солнечной энергии (CSP), которые также называются солнечными тепловыми электростанциями, энергия собирается при помощи различных типов зеркал, чтобы нагреть рабочую жидкость и выработать пар. Пар затем используется для того, чтобы вращать турбину или приводить в действие генераторы (на традиционных электростанциях). Для промышленных предприятий больше подходят технологии CSP, чем технологии фотоэлектрической солнечной энергетики [3]. Существует четыре типа таких технологий, которые различаются в зависимости от типа зеркал, используемых для сбора солнечной энергии (табл. 1).
1. В солнечных электростанциях башенного типа (системы с центральным приёмником) поле гелиостатов (большие отдельные двухосные зеркала) исполь-
зуются, чтобы направить солнечный свет на центральный приёмник, закреплённый на вершине башни (рис. 1). Благодаря высоким коэффициентам концентрации, высокие температуры, а следовательно, и более высокая эффективность, могут быть достигнуты при помощи электростанций башенного типа. В среднем световой поток, попадающий на приёмник, имеет значения в диапазоне от 200 до 1000 кВт/м2. Этот мощный поток позволяет работать при относительно высоких температурах - выше 1500 °С [1]. Внутри приёмника теплоноситель поглощает высококонцентрированную радиацию, отраженную гелиостатами и трансформирует её в тепловую энергию, которую можно использовать в традиционных энергетических циклах.
Рис. 1. Система с центральным приёмником, Испания (электростанция Гемасолар, принадлежащая компании Torresol Energy (с) Torresol Energy) [4]
2. Линейные френелевые электростанции состоят из большого количества линейных отражателей Френеля, системы теплоносителей, системы производства пара (если нет прямой парогенерации), цикла паровой турбины Ренкина/генератора и дополнительного накопителя тепла и/или дублирующих систем на органическом топливе. Главное различие между параболоци-линдрической технологией и френелевой заключается в конфигурации рефлектора. Так же как и параболо-цилиндрический, коллектор, использующий линзы Френеля, имеет одну ось.
Рис. 2. Тепловая электростанция Kimberlina, Калифорния [4]
По этой причине линеарные френелевые рефлекторы концентрируют солнечный свет, используя длинные плоские зеркальные полоски, которые сгруппированы в зеркальное поле вблизи земли. Солнечный свет фокусируется на линейном закреплённом
поглотителе, расположенном выше этого зеркального поля, и, по возможности, оборудованном дополнительным вспомогательным отражателем, который крепится выше поглотителя.
3. Система параболических зеркал, или, как их иногда называют, солнечных тарелок, состоит из единой структуры, которая поддерживает параболическую тарелку, покрытую зеркалами, которые отражают свет на приёмник солнечного излучения, расположенный в фокусе тарелки (рис. 3). Системы параболических зеркал являются наиболее эффективными из всех технологий солнечной энергетики. Их максимальная эффективность достигает 29 %, в то время как при применении других гелиотехнологий эффективность не превышает 20 % [5].
Рис. 3. Системы параболических зеркал [2]
4. Это самый простой тип систем CSP, в котором поле солнечных коллекторов состоит из рядов элементов параболоцилиндрических солнечных коллекторов - обычно зеркал - с интегральной приёмной трубкой. Они являются параболическими только в одном разрешении и формируют длинный параболический цилиндр до 150 м в длину. Коллекторы обычно устанавливаются в ряды и общее поле солнечных элементов состоит из нескольких параллельных рядов (рис. 4). Коллекторы подключены к сервомотору, который перемещает систему зеркал вслед за движением солнца. Благодаря этой системе в течение дня наибольшее количество солнечного света достигает концентратора.
Рис. 4. Параболоцилиндрический солнечный коллектор (Solar One в Неваде) [4]
Приёмник солнечного света - это черная вакуумная стеклянная труба, содержащая теплоноситель -масло или воду. Концентрированный солнечный свет нагревает теплоноситель до 400 °C. И он может использоваться для производства электричества при помощи турбины и электрогенератора [5].
Таблица 1
Обзор технологий CSP [4]
Технология Годичная эффективность солнечных установок, % Тип фокусирования Температура, при которой осуществляется термоконтроль, оС Используемые циклы тепловой установки Степень коммерческой разработанности Заявленная производственная мощность (на конец 2011 г.)
Параболические цилиндры 12 - 15 Линейный 150 - 400 Паровой цикл Ренкина, органический цикл Ренкина, фотоэлектрические системы Высокая 1500 МВт
Системы с центральным приёмником 20 - 30 (теор. расчёты) Точечный 300 - 1200 Паровой цикл Ренкина, цикл Брайтона (газовая турбина), фотоэлектрические системы Средняя 60 МВт
Линейные френелевые рефлекторы 8 - 10 Линейный 150 - 400 Паровой цикл Ренкина, органический цикл Ренкина, фотоэлектрические системы Средняя 38 МВт
Линзы Френеля 12 - 15 Точечный Фотоэлектрические системы Средняя 15 МВт
Параболическое зеркало 20 - 30 Точечный 300 - 1500 Двигатель Стирлинга, паровой цикл Ренкина, органический цикл Ренкина, фотоэлектрические системы Низкая 2 МВт 4 МВт
Ирак располагается между 29 и 38 северными широтами, и это расположение имеет определяющее значение для показателей угла падения солнечных лучей на поверхность земли, уровня радиации и количества дневных часов - 14 ч тёплыми летними днями и 10 ч - холодными зимними.
Ирак - это страна, располагающаяся в поясе солнечного света, получающая повышенную дозу солнечного излучения. Объём прямого солнечного излучения на плоской, незащищённой покровом территории, может достигать 1800 кВт/м2 в год (рис. 5). Климатический анализ столицы Ирака (Багдад), который расположен в центре страны, за период с 2007 по 2011 г. представлен на рис. 6 по месяцам.
DNI IkVWmYj'l
тельности теплоэлектростанции является солнечное поле.
Рис. 5. Прямое солнечное излучение на территории Ирака [6]
Рассматривая систему параболических концентраторов в условиях Ирака, можно сказать, что единственным источником энергии для обеспечения дея-
Месяцы
Рис. 6. Средняя максимальная и минимальная температуры в Багдаде с 2007 по 2011 г.: 1 - средняя максимальная температура; 2- средняя минимальная температура
Не существует дублирующих систем или вспомогательных систем, работающих на бойлерах с органическим топливом. Основная операционная стратегия -заряжать теплоаккумуляторы, когда интенсивность подачи теплоносителя превышает проектную. Излишки потока пропускаются через масляно-солевую оболочку и теплообменник, чтобы зарядить соляной расплав, который затем поступает в расширительную камеру. Во время подзарядки соляной расплав покидает холодную емкость, вытягивает тепло из теплоносителя и затем поступает в горячую емкость [7].
Среднее рабочее время составляет 10 - 12 ч летом. В оставшееся время система управляется энергией из теплоаккумулятора.
В условиях Ирака может применяться гибридная система производства солнечной энергии, которая подразумевает наличие запасных мощностей, работающих на органическом топливе. В системе используется дополнительный нагревательный прибор для теплоносителя, работающий на природном газе, подключённый параллельно с солнечным полем, либо дополнительный парогазовый котёл, подключённый параллельно с солнечным теплообменником. Запасные мощности, работающие на традиционном топливе, могут использоваться для производства определенных электрических мощностей в периоды пасмурной погоды или по ночам.
Параболоцилиндрические коллекторы используются для нагрева синтетического масла, которое передает энергию через теплообменник в традиционный паротурбинный цикл для преобразования в электричество. Использование прямого парообразования в па-раболоцилиндрических коллекторах - ощутимое улучшение этой надёжной технологии [8]. Идея этой технологии - использовать воду в качестве теплоносителя в параболоцилиндрических солнечных полях таким образом, чтобы солнечное поле предварительно прогревало, испаряло и перегревало питательную воду. Соответственно, пар может быть напрямую направлен в паровую турбину. Использование воды в качестве теплоносителя снимает необходимость использования дорогих синтетических масел и исключает применение теплообменника в электростанции. Более того, это повышает КПД теплового цикла.
ISCCS - новая разработка, которая объединяет параболоцилиндрическую электростанцию с электростанцией с газотурбинным комбинированным циклом. SCCS привлекла к себе большой интерес, так как эта система предлагает инновационный путь сокращения затрат и увеличения общей эффективности перевода солнечной энергии в электричество. Схема технологического потока для ISCCS представлена на рис. 8. Система ISCCS использует солнечное тепло в дополнение к растраченному теплу из газовой турбины для того, чтобы увеличить мощность производства в паровом утилизационном цикле Ренкина. При таком устройстве солнечная энергия, как правило, используется для производства дополнительного пара, включая сбрасываемое тепло на газовой турбине. Большинство конструкций увеличивают размер паровой турбины не менее чем на 100 %. Конструкция ISCCS, вероятно, будет более предпочтительна по сравнению с солнечной электростанцией Ренкина в регионах Ирака, где электростанции с использованием комбинированного цикла уже начали строиться. Преимущества системы ISCCS связаны с высокой эффективностью комбинированных циклов: некоторые исследования оценивают среднегодовую эффективность при сжигании топлива примерно в 60 %. Кроме того, инвестиционные расходы на газовые турбины ниже, чем на паровые, и ISCCS - более экономичны, чем гибридные солнечные циклы Ренкина. Как и в традиционных циклах Ренки-на с солнечным подогревом, солнечная энергия не теряется в периоды начала и конца работы [9]. В табл. 2 представлены данные существующих в настоящее время коммерческих проектов ISCCS, установленных в различных регионах мира.
Рис. 8. Общая схема для ISCC [10]
Таблица 2
Проекты ISCC [11]
Проект Страна Полная мощность Мощность CSP Статус
Martin Next Generation Solar Energy Center (MNGSEC) США 1125 МВт электрической энергии 75 МВт электрической энергии Работает с 2010 г.
Archimede Италия 750 МВт электрической энергии 5 МВт электрической энергии Работает с 2010 г.
Hassi R 'mel Алжир 150 МВт электрической энергии 25 МВт электрической энергии Работает с 2011 г.
Ain Beni Mathar Морокко 470 МВт электрической энергии 20 МВт электрической энергии Работает с 2011 г.
Kuraymat Египет 140 МВт электрической энергии 20 МВт электрической энергии В стадии строительства
Victorville 2 Hybrid Power Plant США 573 МВт электрической энергии 50 МВт электрической энергии В стадии реконструкции
Palmdale Hybrid Power Plant (PHPP) США 570 МВт электрической энергии 50 МВт электрической энергии В стадии реконструкции
Литература
1. Mohit Bhargva. Modeling, Analysis, Evaluation, Selection and Experimental Investigation of Parabolic Trough Solar Collector System. 2012.
2. Peter Viebahn, Stefan Kronshage, Franz Trieb (DLR), Yolanda Lechon (CIEMAT). Final report on technical data, costs, and life cycle inventories of solar thermal power plants. 2008.
3. Central Electricity Authority «Report of Sub-group II & Ш on Integration of Solar Systems with Thermal / Hydro Power Stations». 2010.
4. IT Power (Australia) Pty Ltd for the Australian Solar Institute «Realizing the potential of Concentrating Solar Power in Australia». 2012.
5. European Commission «European Research on Concentrated Solar Thermal Energy». 2004.
Поступила в редакцию
6. German Aerospace Center (DLR) «Concentrating Solar Power for the Mediterranean Region». 2005.
7. Joseph E. Kopp. Two-tank indirect thermal storage designs for solar parabolic trough power plants. 2009.
8. Markus Eck. Dynamic Behavior of the Direct Solar Steam Generation in Parabolic Trough Collectors: A Simulation Study.
9. Natalia Kulichenko, Jens Wirth. Concentrating Solar Power in Developing Countries. 2012.
10. Solar Paces «ISCC Kuraymat Integrated Solar Combined Cycle Power Plant in Egypt». 2006.
11. Fernando Antoñanzas-Torres, Enrique Sodupe-Ortega, Andrés Sanz-García, Roberto Fernández-Martínez, Francisco Javier Martínez-de-Pisón-Ascacíbar. Technical Feasibility Assessment of Integrated Solar Combined Cycle Power Plants in Ciudad Real (Spain) and Vegas (USA). 2012.
10 июня 2013 г.
