CC BY
18Статья поступила в редакцию 24.02.12. Ред. рег. № 1249
The article has entered in publishing office 24.02.12. Ed. reg. No. 1249
УДК 631.171, 662.997.93
РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ В СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВКАХ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ
В.И. Кабаков, В.М. Ерошенко
Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского (ЭНИН) 119991, Москва, Ленинский пр., д. 19 Тел.: 7 (495) 770-34-18, факс: 7 (495) 770-31-03, e-mail: vikab@eninnet.ru
Заключение совета рецензентов: 11.03.12 Заключение совета экспертов: 15.03.12 Принято к публикации: 20.03.12
Представлены различные варианты использования аккумуляторов в солнечных концентрирующих установках с использованием российских и зарубежных технических решений. Приводятся результаты изучения и эксплуатации некоторых солнечных энергоустановок с использованием концентрирующих систем и тепловых аккумуляторов, позволяющих повысить время их действия. Прогресс в совершенствовании таких систем и их элементов привел к наблюдающемуся взрывному прогрессу в их создании и к постановке и реализации таких вопросов, которые еще вчера казались просто не-решаемыми. Это касается, прежде всего, получения на таких солнечных установках непрерывной выработки энергии.
Ключевые слова: солнечная электростанция с концентраторами, тепловой аккумулятор, параболоцилиндрический концентратор, башенная солнечная электростанция, приемник солнечной энергии.
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF DIFFERENT ACCUMULATORS IN CSP
V.I. Kabakov, V.M. Yeroshenko
Krzhizhanovsky Power Engineering Institute (ENIN) 19 Leninsky ave., 119991, Moscow, Russia Tel.: 7 (495) 770-34-18, fax: 7 (495) 770-31-03, e-mail: vikab@eninnet.ru
Referred: 11.03.12 Expertise: 15.03.12 Accepted: 20.03.12
Different variants of using the accumulators in CSP with application of Russian and foreign engineering solutions are presented. The results of investigation and maintenance of some solar power plants using the concentrating systems and heat storage are given. The heat storages allow increasing the operating time of such plants. The progress in improving these systems and their elements resulted in the observed boom in CSP building and the solution of such problems, which seem to be unsolvable just yesterday. It concerns, first of all, obtaining the continuous energy generation at such solar power plants.
Keywords: solar power plant with concentrators, heat storage, parabolic cylindrical concentrator, tower solar power plant, solar receiver.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент, зав. отдела ОАО «Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского (АО ЭНИН).
Область научных интересов: струйные насосы-инжекторы с двухфазными течениями и фазовыми переходами, водоподъемные и энергетические установки с использованием геотермальной энергии или концентраторов солнечной энергии.
Публикации: более 230 научных трудов, 30 авторских свидетельств на изобретения и патентов РФ, а также 8 зарубежных патентов.
Владимир Исаакович Кабаков
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Владимир Михайлович Ерошенко
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, зав. лаборатории ОАО «Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского (АО ЭНИН).
Область научных интересов: тепло- и массообмен при использовании нетрадиционных источников энергии.
Публикации: более 200 научных трудов, 10 авторских свидетельств на изобретения и 2 патента РФ.
Введение
Данные по аккумуляторам в солнечных установках с концентраторами приводятся в двух статьях: в первой статье излагаются предложения и результаты, полученные в Энергетическом институте им. Г.М.Кржижановского. Во второй приводятся примеры сооружения таких установок за рубежом, а также описывается действие предложенных там и в ЭНИН установок с парообразованием в приемниках концентраторов солнечной энергии и функции аккумуляторов тепла в таких установках.
Значительных успехов в области создания солнечных электростанций (СЭС) с концентраторами и тепловыми аккумуляторами (ТА) достигли в самые последние годы Испания и США [1], в которых мощность соответствующих СЭС в 2011 г. составила 1611,4 МВт. В 2012 г. ожидается ее значительное увеличение. К созданию таких СЭС присоединились Индия, Австралия, Южная Африка, страны Ближнего Востока, севера Африки и даже Латинской Америки. Многое из того, что привело к успеху указанных технологий, было сделано и у нас, и порой по времени даже ранее зарубежных работ. В первой из статей внимание уделяется результатам наших собственных работ в ЭНИН, которые часто идентичны полученным за рубежом результатам, а поэтому до сих пор остаются оригинальными или первопроход-ческими.
Укажем основные направления и недостатки солнечных установок, общие для них во всем мире. Общим является, прежде всего, то, что их стараются делать более дешевыми и простыми. Что касается конкуренции тепловых СЭС с фотоэлектрическими установками, то для сглаживания этой проблемы нами предложены рассматриваемые в статье комбинированные или гибридные установки, обладающие преимуществами того и другого направления. Во многих случаях серьезную проблему представляет собой отсутствие воды в местах сооружения СЭС. Здесь могут оказаться полезными наши простые, надежные и экономичные солнечные водоподъемники, которые описаны далее в первом разделе дан-
ной статьи. Большим недостатком солнечных установок является необходимость очистки от загрязнений или промывка их оптических поверхностей. Для этого в основном используются специальные химические растворы, а автоматизация процесса мойки и протирки требует еще специального дополнительного оборудования, особенно когда это касается большого поля параболоцилиндрических концентраторов (ПЦК) или многочисленных гелиостатов башенных СЭС. Необычайно важными повсеместно для СЭС остаются проблемы финансирования строительства, особые тарифы на производимую электроэнергию и подсоединение солнечных установок к сети.
Острой остается и проблема отчуждения больших земельных участков, требуемых для СЭС. Использование концентрирующих систем в какой-то степени понижает остроту этой проблемы. Но использование в установках ТА требует и соответствующего добавления концентраторов, а следовательно, увеличения этих участков.
Основным недостатком, касающимся всех солнечных систем и установок, является периодичность их действия, связанная с периодическим или случайным отсутствием солнечной радиации. Но как раз энергия от дополнительных зеркал может запасаться ранним утром или в часы после работы предприятий в баках-аккумуляторах. В часы же перехода ото дня к ночи, когда поступление тепла от концентраторов прекращается, энергосистемы могут получать электроэнергию от тепла, запасенного в ТА. Способность запасать и хранить тепловую энергию для использования в темное время суток является важным преимуществом тепловых СЭС над установками, использующими фотоэлектрический метод преобразования энергии.
Как показывает опыт эксплуатации СЭС с ТА, работающими с расплавами солей, эти аккумуляторы значительно повышают коэффициент использования установленной мощности СЭС (т.е. количество электроэнергии, вырабатываемой СЭС за год). В то же время электроэнергия вырабатывается в такое время суток, когда та особенно нужна потребителям. Следовательно, наличие ТА и рост КПД являются
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
важными факторами, снижающими затраты на СЭС с концентраторами (КСЭС) и обеспечивающими надежность энергоснабжения и маневренность СЭС, которые столь необходимы для энергосистем и операторов сетей. Причем коэффициент использования установленной мощности для отдельных СЭС существенно повышается при сравнительно небольших дополнительных затратах (по оценкам, рост этого коэффициента может составить до 40% при увеличении затрат примерно на 20%).
Подчеркнем, что технология СЭС с ТА может успешно обеспечивать покрытие пиковых нагрузок, что было продемонстрировано в Испании. Работы по внедрению СЭС с ТА широко проводятся в штатах Невада и Калифорния (США). Только в Калифорнии в ближайшие 5 лет предполагается соорудить около 5 новых СЭС такого типа. Отметим, что эти работы проводятся при значительной финансовой поддержке со стороны государства. И, помимо всего, аккумулирование тепла повышает общую эффективность энергосистем и понижает стоимость энергии для потребителей
Аккумуляторы в схемах двухконтурной СЭС и многофункциональной установки в Фергане, предложенных в ЭНИН
Решением проблемы, связанной с периодичностью работы солнечных установок с концентраторам, занимались и мы в ЭНИН. Поэтому рассмотрим, что в этом направлении делалось. Отметим, что системы аккумулирования в солнечных параболоци-линдрических установках существенно отличаются при наличии парообразования в приемниках солнечной энергии и его отсутствии, и это будет показано во второй статье.
При этом в СЭС башенного типа, которые там рассматриваются, используются такие же аккумуляторы тепла, как и в установках с ПЦК, если в обоих случаях отсутствует парообразование первичного теплоносителя. Концентрирующие системы с линзами Френеля или с параболоидами и двигателями Стирлинга, которые все шире использутся в настоящее время в мире, в данных статьях не рассматриваются.
Рис. 1. Комбинированная двухконтурная солнечная энергетическая установка: 1 - первый контур с теплопередающей жидкостью; 2 - второй пароводяной и паротурбинный контур; 3 - модульные параболоцилиндрические концентраторы; 4 - приемники ПЦК; 5 - пароперегреватель; 6 - парогенератор; 7 - циркуляционный насос первого контура; 8 - котельная установка; 9 - ввод водорода; 10 - ввод биотоплива; 11 - приемники модульных ПЦК (3) с установленными на них фотоэлектрическими элементами; 12 - система теплоснабжения; 13 - циркуляционный насос второго контура; 14 - паровая турбина; 15 - генератор; 16 - конденсатор; 17 - вход и выход охлаждающей воды; 18 - циркуляционный насос; 19 - электролизер с аккумулированием получаемого водорода; 20 - инвертор; 21 - аккумулятор электрической энергии; 22 - ввод нагретой в приемниках жидкости; 23 - выход кислорода из электролизера; 24 - приводы систем слежения ПЦК
за солнцем; 25 - восполнение потерь теплоносителя во втором контуре Fig. 1. Combined two-loop solar power plant: 1 - first loop with heat-transferring liquid; 2 - second water-steam and steam-turbine loop; 3 - modular parabolic trough concentrators; 4 - PTC receivers; 5 - super heater; 6 - steam generator; 7 - circulating pump of
the first loop; 8 - boiler plant; 9 - hydrogen input; 10 - biofuel input; 11 - receivers of modular PTC; 12 - heat supply system; 13 - circulating pump of the second loop; 14 - steam turbine; 15 - generator; 16 - condenser; 17 - inlet and outlet of cooling water; 18 - circulating pump; 19 - electrolyzer; 20 - inverter; 21 - electric energy storage device; 22 - inlet of heated water in the receivers with liquid; 23 - oxygen outlet from electrolyzer; 24 - drives of PTC tracking system; 25 - recovery of heat carrier loss in the second loop
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Обе рассматриваемые схемы солнечных установок (рис. 1 и 2), предложенные в ЭНИН, являются комбинированными, или гибридными, т.е в них используются два различных способа преобразования солнечной энергии. В данных установках это термодинамический и фотоэлектрический способы. Схемы содержат фотомодули (ФЭМ), работающие в концентрированном солнечном свете. Наряду с обычными и присутствующими в таких установках инверторами их фотоэлектрическая часть содержит аккумулятор электрической энергии (соответственно, это аккумуляторные батареи 19 и 10 на приведенных ниже схемах). Этот аккумулятор может обеспечивать независимую работу солнечной установки в периоды отсутствия солнечной радиации, а при запуске и функционировании термодинамической части обеспечивать ее и потребителя электрической энергией. Электрические батареи являются единственными изо всех представляемых в данной статье аккумуляторами, которые не являются аккумуляторами тепла.
Рис. 2. Схема гибридной солнечной установки со струйным насосом-инжектором: 1 - параболоцилиндрический концентратор; 2 - приемник солнечного излучения; 3 - струйный насос-инжектор; 4 - колодец; 5 и 6 - сборные баки; 7 - фотоэлектрические батареи; 8 - инвертор; 9 - погружной насос; 10 - аккумуляторная батарея; 11 - подача электроэнергии и воды к потребителю Fig. 2. Schematic diagram of hybrid solar plant with jet pump: 1 - parabolic trough concentrator; 2 - solar receiver; 3 - jet pump-injector; 4 - ground-water well; 5 & 6 - water tanks-accumulators; 7 - PV-arrays; 8 - inverter; 9 - submerged pump; 10 - accumulator battery; 11 - water and electricity supply of consumer
Рассмотрим роль и функционирование аккумуляторов в нашей первой параболоцилиндрической установке для водоподъема и теплоснабжения [2, 3], схема которой показана на рис. 2.
Установка содержит баки-аккумуляторы многоцелевого использования. Так, верхний бак 6 позволяет организовать циркуляцию воды через приемник
ПЦК после периодов остановов или бездействия и снабжает водой различных ближних и дальних потребителей. Вода из этого же бака вводится также через жидкостные сопла в камеру смешения. После достижения потоком в сопле инжектора 3 определенного паросодержания начинается запуск инжектора (в данном случае путем смены горловин диффузора). После запуска вода в инжектор закачивается из источника благодаря низкому давлению в его камере смешения, а подводы от верхнего бака к камере смешения и на вход приемника ПЦК отключаются, так как инжектор обеспечивает циркуляцию части нагретой воды через приемник ПЦК. Верхний бак заполняется инжектором для выполнения всех указанных функций при запуске и для водоснабжения в периоды отсутствия солнечной энергии. Этот бак 6 не имеет теплоизоляции, и за ночь вода в нем понижается, что позволяет на другой день использовать его для указанных функций.
Второй, установленный на земле бак 5 имеет теплоизоляцию. Вода в нем находится под давлением и имеет высокую температуру, соответствующую температуре на выходе из струйного насоса 3. Бак позволяет подавать воду на теплоснабжение и на снабжение горячей водой потребителя даже в периоды отсутствия солнечной радиации. Часть воды из этого бака или сразу после инжектора 3 используется для подачи в приемник ПЦК. Это особенно выгодно для запуска при недостаточной солнечной радиации и стало лучшим способом осуществления запуска в такой установке.
Далее описывается работа установки с ПЦК, представленной на рис. 1. Она снабжена аккумуляторами тепла, которые обеспечивают работу паровой турбины даже в периоды малой или отсутствующей солнечной радиации. Во многом работа нашей только что рассмотренной водоподъемной установки аналогична функционированию крупных СЭС, особенно СЭС, показанной на рис. 1, и особенно СЭС с парообразованием в приемнике параболоцилидриче-ских концентраторов (ПЦК), рассматриваемых во второй нашей статье в этом номере. Но преобразование тепловой энергии в механическую происходит в паровом двухфазном сопле инжектора, а не в паровой турбине. Многие проблемы крупных солнечных установок с концентраторами были решены на установке в Фергане. Это касается проблем солнечной оптической, тепловой и других систем этих установок и оказывается актуальным для многих осваиваемых сейчас в мире крупных СЭС. Т.е. нашу небольшую установку в Фергане можно рассматривать в качестве своего рода прототипа этих крупных солнечных установок.
В представленной на рис. 1 и защищенной нашим патентом двухконтурной СЭС [4], содержащей ПЦК 3, аккумулирующие батареи 21, аккумулятор водорода 19 и теплообменники 5 и 6, одновременно являющиеся баками-аккумуляторами теплоносителя во втором контуре, на приемниках ПЦК установлены
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
фотомодули, работающие в концентрированном солнечном свете. При таких условиях работы улучшается КПД фотоэлементов, и поэтому такой способ все шире применяется при использовании фотоэлементов в энергетике. Вопросы оптимального размещения фотоэлементов на поверхности приемника и их оптимального охлаждения, особенно актуального для установок с парообразованием в приемниках ПЦК и рекомендации по этим вопросам рассмотрены в публикациях [5-7].
Инвертор на рис. 1, преобразующий постоянный ток в переменный, позволяет организовать работу слежения за солнцем всей системы ПЦК, а также работу всех насосов установки. Возможно также разложение воды в электролизере 19 на водород и кислород. Получаемый водород может храниться в аккумуляторе водорода (на схеме он указан в позиции 19 одновременно с электролизером для разложения воды на водород и кислород). Этот водород может подводиться по трубопроводу 19 к котлу 8, где он может использоваться в качестве топлива для нагрева теплоносителя в первом контуре установки в периоды недостаточной солнечной радиации, т. е. для продления времени работы установки. Аккумуляторные батареи и аккумулятор водорода были частью наших патентов в России и за рубежом в 90-е годы, например, патента [4].
Мы не останавливаемся здесь на том теплоносителе, который выбран нами для работы в первом контуре такой установки, поскольку он рассмотрен в публикациях [8, 9], в которых представлены также результаты его испытаний на оптическую и термиче-скую стабильность. Нами был запатентован и соответствующий вакуумированный приемник ПЦК с этим теплоносителем и красителем [10]. Этот жидкий теплоноситель с небольшим по концентрации добавлением красителя можно рассматривать как наножидкость, которая позволяет получать температуру после нагрева солнечным концентратором, превышающую 500 °С. Конструкция приемника и селективные свойства смеси теплоносителя с красителем исключают необходимость покрывать поверхность приемника специальным и достаточно недолговечным материалом с селективными свойствами. Оболочка приемника выполняется тогда стеклянной, что упрощает всю конструкцию вакууми-рованного приемника, исключая, в частности, необходимость применения сильфонов.
Некоторые гибридные солнечные установки
с аккумуляторами, предложенные за рубежом
Схемы иностранных специалистов с аккумуляторами тепла появились совсем недавно, а теплоноситель - расплав солей натрия и калия был запатентован ими в 2010 г., тогда как наша «наножидкость» и конструкция приемника ПЦК запатентованы нами в 1994 г. Более подробная информация об иностранном теплоносителе будет дана в нашей второй статье в данном номере журнала.
Наличие или отсутствие парообразования в приемнике солнечного излучения существенно меняет использование аккумуляторов в схемах СЭС с концентраторами. Однако для каждого из двух этих случаев (парообразование или его отсутствие) использование аккумуляторов тепла практически не отличается в принципе для двух типов СЭС: для СЭС с ПЦК или для башенных СЭС. Они также рассматриваются во второй статье.
Обратимся теперь снова к установке на рис. 1. Котел 8 имеет ввод для биотоплива 10. Комбинированные, или гибридные установки с солнечными концентраторами (параболоцилиндрическими, башенного типа или с линзами Френеля) и с использованием биотоплив приобретают в мире все большее распространение. Приведем в качестве примера те установки, которые сооружаются в настоящее время в Бразилии. Они будут иметь расположение элементов и вид, показанный на рис. 3.
Рис. 3. СЭС с ПЦК и баками-аккумуляторами с холодным
и горячим расплавами солей (Андазола, США) Fig. 3. SPP with PTC and accumulator tanks with cold and hot salt melts (Andasola, USA)
Добавление к солнечной станции котла на биомассе предназначено для покрытия нагрузок в часы пик или в периоды отсутствия должного поступления солнечной энергии. Фирма «Skyfuel» (США) вместе с бразильской «Brax Energy» начинает сооружение на севере Бразилии комбинированной станции с ПЦК и сжиганием биомассы. В качестве биотоплива предполагается использовать продукты переработки кокосовых орехов. Фирма «Brax Energy» получила лицензии на сооружение трех электростанций с ПЦК и сжиганием биомассы.
В 2010 г. Бразилия приняла закон, запрещающий расширение и сооружение свалок в стране, который создал препятствия для фермеров, выращивающих кокосы. Фирма «Brax Energy», заключила контракты с фермерами на 20-30 лет и поставляет машины на фермы для дробления скорлупы и ее сжатия в топливо в виде высококалорийных брикетов, которые фермеры могут продавать на электростанции. Калорийность такого топлива та же, что и у сухих волокон сахарного тростника, которые сжигаются в Бразилии в течение десятилетий.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (107) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Гибридная установка мощностью 50 МВт будет работать с солнечной частью в дневное время до 19 часов, а с 19.00 до 22.30, т.е. в самые пиковые часы, электроэнергия будет производиться паром, получаемым в котлах при сжигании в них биомассы из скорлупы кокосовых орехов. СО2 из энергоустановки будет улавливаться и передаваться в теплицы, располагаемые между рядами ПЦК, которые хорошо видны на рис. 3. Т.е. решаются экологические проблемы, и газы будут способствовать выращиванию с/х продукции для населения.
Заключение
Итак, показано, что многие вопросы, которые возникают сейчас при масштабном сооружении и распространении в мире СЭС с концентраторами и с использованием в них новых высокотемпературных теплоносителей и аккумуляторов тепла, либо были успешно решены на установке ЭНИН в Фергане, либо нашли свое отражение и решение в наших патентах.
Показана целесообразность использования в таких установках баков-аккумуляторов, что существенно продлевает и расширяет время их работы. Приведен целый ряд других предложений и решений, которые сделаны в ЭНИН с целью повышения эффективности отдельных элементов таких установок и СЭС в целом.
Приведен также пример сооружения такой СЭС за рубежом (в Бразилии).
Список литературы
1. Cohen G., Mancine T., Wilkins T., Morse F., Kearney D. A history of American CSP - Timeline // Renewable Energy Focus, Las Vvegas, 2012.
2. А.С. 1002748 СССР. Солнечный водоподъемник / Аладьев И.Т., Кабаков В.И., Кохова И.И., Ма-левский И.Т. // Открытия. Изобретения. 1983. № 9.
3. Аладьев И.Т., Кабаков В.И., Кохова И.И., Тар-нижевский Б.В. Солнечная водоподъемная установка с аккумулированием тепла // Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы ЭС и экономии энергии. Ч.П. Аккумулирование энергии, тепловые процессы и теплоаккумулирующие материалы, ЭНИН. М., 1986.
4. Патент РФ №1726922. Солнечная комбинированная электрическая станция / Волков Э.П., Кабаков В.И., Колтун М.М., Кохова И.И., Рзаев А.И. // Открытия. Изобретения, 1992. № 14. С. 165.
5. Кабаков В.И., Середа И.П., Левин Л.Б. On the temperature regimes of profiled channels with photovoltaic converters // Proc. 12th Europ. PV Conference in Amsterdam, H.S.Stephens&Associated, Vol. 1, 1994.
6. Kabakov V.I., Levin L.B. A choice of position of receiver with photocell in parabolic trough concentrator // Solar Energy and Solar Cells, 33, 1994.
7. Kabakov V.I., Levin L.B., Sereda I.P., Dodonov L.D. A choice of form and temperature regimes in photothermal receiver for parabolic trough // 7th Int. Symp. On Solar Thermal Concentrating Technologies, M., Sept. 1994.
8. Волков Э.П., Кабаков В.И., Подгаецкий В.А., Томилина Л.П. Power Plant Working with Solar Fuels // Intern Symp. on "Solar Chemistry", PSI, Switzerland, October 6-9, 1997.
9. Кабаков В.И. Энергетические установки на солнечной энергии // Электрические станции. 2010. № 9. С. 70-76.
10. Патент РФ №2023216 Солнечный тепловой коллектор / Кабаков В.И., Томилова Л.Г., Подгаецкий В.М., Каплан А.Г., Бялко Н.Г., Лукьянец Е.А. // Открытия. Изобретения. 1994. № 21. С. 135.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
