Соларни парогенератори

Годишното количество слънчева радиация може да отговори над 8000 пъти на глобалните енергийни нужди. Това означава, че само 1% от площта на пустинята Сахара е достатъчна, за да се задоволят електроенергийните изисквания на света посредством соларни топлоелектроцентрали.

Тези съоръжения са сред ключовите технологии за получаване на електричество от възобновяеми енергийни източници.

Технологията на топлоелектроцентралите с параболични хелиостати вече се е доказала с изградените такива мощности в САЩ и Испания. Посредством големи параболични огледала слънчевите лъчи се концентрират върху поглътителна тръба, през която преминава топлопреносен флуид, обикновено масло.

Загретият флуид се подава в генераторен блок, където топлинната му енергия се използва за изпаряване на вода. С индиректно получената пара се задвижват турбини и се генерира електрическа енергия. Въпреки че технологията вече е внедрена в търговски мащаб, научноизследователската дейност в областта продължава с цел оптимизиране на компонентите и концепцията на системата.

Над 95% от съществуващите соларни топлоелектроцентрали работят с параболични концентратори. Проучванията на научната общност целят редуциране на разходите чрез подобряване на дизайна на хелиостатите и автоматизиране на процесите по експлоатация и поддръжка.

Използваното като топлопреносна среда масло също се счита за един от потенциалните проблеми, тъй като е акватоксично и при възникване на теч в тръбопроводната система то би могло да попадне в подземните води и да нанесе сериозни щети върху околната среда.

Поради тази причина се работи усилено по разработването на алтернативна топлопреносна среда, която да бъде достъпна и атрактивна за пазара.

Алтернативно решение на параболичната технология са френеловите системи, като глобалният капацитет на инсталираните такива съоръжения в момента възлиза на около 45,5 MW.

Научноизследователската дейност е съсредоточена основно върху подобряване на икономическата ефективност на параболичните и френеловите инсталации, както и на системите с кули. Последните предоставят възможност за по-високи работни температури и по-ефективни процеси.

Соларни топлоелектроцентрали

Могат да бъдат разграничени няколко вида соларни топлоелектроцентрали в зависимост от конфигурацията на концентраторите. При системите с линеен фокус, каквито са параболичните и френеловите, хелиостатите проследяват слънцето по продължение на една-единствена ос и фокусират лъчите върху поглътителната тръба.

Системите с точков фокус (с кула) използват голям брой хелиостати, следящи слънцето поотделно, които фокусират слънчевата светлина в един-единствен приемник, разположен на върха на централна кула.

Основно предимство на соларните топлоелектроцентрали е възможността за интегриране на системи за съхранение на топлинната енергия, което позволява функционирането им при наличие на облаци или след залез. В момента събраната топлинна енергия най-често се преобразува в електричество посредством парни турбини. Това решение е подходящо за инсталации с капацитет над 10 MW и температури от 600°C нагоре.

Параболична технология

Колекторите обикновено се подреждат с ориентация север-юг, за да може малко след изгрев светлината от ниско разположеното слънце на изток да попадне почти вертикално в концентраторите.

През деня с движението на слънцето лъчите падат върху колектора под все по-остър ъгъл, като продължават да се фокусират върху поглътителната тръба, но се отразяват от по-голямо разстояние.

Това обуславя редуциране на енергията от слънчевото излъчване на единица площ в зависимост от косинуса на ъгъла на падане на слънчевите лъчи. В допълнение, наклонените отразени лъчи в горния край на колектора не попадат върху поглътителната тръба. За да се намалят тези загуби, параболичните колектори се конструират с възможно най-голяма дължина.

Най-важните характеристики за осигуряване на ефективността на концентратора са високата отражателна способност на светлина с всякаква дължина на вълната и прецизна параболична форма. В случай че има отклонения от параболичната форма, фокусът на колектора не попада върху поглътителната тръба.

Само светлината, която пада вертикално върху оптичната ос, се концентрира в точката на фокус. Поради тази причина концентраторът трябва непрекъснато да следи пътя на слънцето.

Обикновено за целта се използват предимно хидравлични системи, но при по-малки колектори те могат да бъдат заменени от електродвигатели. Задвижващите системи се управляват или от сензори, които определят позицията на колекторите спрямо височината на слънцето, или чрез изчисляване на височината на слънцето и позицията на сензорите на колекторите, или посредством комбинация от предходните две техники.

В поглътителната тръба концентрираната соларна енергия се преобразува в топлинна и се предава на топлопреносния флуид. Стоманената тръба е облицована с оптично селективно покритие, което поддържа висок абсорбционен капацитет в диапазона на вълните със съответната за слънчевия спектър дължина, но и висока отражателна способност в инфрачервения спектър, т. е. минимално излъчване.

Днес се постигат нива на поглъщане от 96% и на излъчване от само 9%. За да се предотвратят топлинните загуби в околния въздух, поглътителната тръба се поставя във вакуумиран стъклен кожух. Различното температурно разширение на стъклената и на металната тръба по време на експлоатация при температури до 500°C се балансира посредством метални силфони в краищата на тръбите.

Освен чрез оптимизация на колекторите, ефективността на параболичните системи може да се повиши и чрез увеличаване на горната граница на работната температура. Тъй като при маслото тя е ограничена до под 400°C поради съображения за термичната стабилност, се проучват възможностите за използване на други топлопреносни среди. Най-голям е напредъкът при разработването на системи за директно генериране на пара и с топлопреносна среда от стопени соли.

Директни соларни парогенератори

Директното получаване на пара позволява не само оптимизиране на работната температура, но и реализиране на спестявания от компонентите за системата за масло и свързаните с нея разходи и загуби на ефективност.

Технологичното предизвикателство тук е, че цялата тръбопроводна система трябва да е проектирана за високите налягания от около 100 bar, необходими за работата на турбините. Двуфазният поток също е свързан с някои проблеми по отношение на възможността за управление и термомеханичните натоварвания.

Погълнатата топлина първоначално води до формирането на малки мехурчета пара, които се обединяват в по-големи такива над течната фаза. Вследствие на по-големия специфичен обем на парата, разширяващите се мехурчета водят до получаването на неравномерен воден поток.

Тъй като топлопреносът между тръбната стена и парната фаза е значително по-лош отколкото между тръбната стена и течността, температурата на тръбата се покачва след т. нар. точка на пресъхване. Това може да доведе до значително топлинно натоварване на тръбата, тъй като тази точка на пресъхване може да се измести много бързо с изменение на слънчевото излъчване.

С цел да се оползотворят предимствата на директното генериране на пара и същевременно да се избегнат рисковете, свързани с нежелани работни условия, са разработени няколко решения. Едното от тях включва предварително подгряване на подаваната в колекторите вода, пълното й изпаряване и прегряване на парата.

При концепцията с рецикъл вместо да се изпарява цялото количество вода, в съд под налягане се подава смес от вода и пара, която се разделя под действието на гравитацията.

Тази технология осигурява голяма стабилност, но е свързана с по-високи разходи заради необходимия допълнителен съд под налягане, рециркулационната помпа и загубите в системата за рецикъл.

Първата параболична топлоелектроцентрала с директно генериране на пара е въведена в експлоатация в края на 2011 г. в Тайланд. Тя е с капацитет 5 MW и работи при налягане 30 bar и температура 330°C.

Тъй като все още не са налични евтини системи за съхранение на пара, директното й генериране със соларна енергия засега е подходящо за по-малки системи или хибридни топлоелектроцентрали, работещи на соларна енергия и изкопаеми горива. Възможността за адаптиране на характеристиките на парата към съответното приложение позволява увеличаване на дела соларна енергия в топлоелектроцентралите с комбиниран цикъл.

Разработват се и концепции за пестене на гориво и съответно редуциране на емисиите на въглероден диоксид от централите на въглища чрез интегрирането на системи за директно генериране на пара със соларна енергия.

Френелови системи

Френеловите колектори са линейни концентриращи системи с приемници, които за разлика от параболичните централи не проследяват слънцето. Вместо това разположените в близост до земната повърхност огледални сегменти се накланят по надлъжната си ос (с ориентация север-юг) и концентрират слънчевата светлина в монтираните над тях приемници.

В зависимост от конструкцията огледалата могат да са плоски или леко извити. Приемникът е разположен по продължение на фокалната линия и в повечето случаи представлява метална тръба със селективно поглъщащо покритие за поддържане на минимални загуби от преобразуване на енергията.

Над поглътителната тръба се монтира и вторичен отражател, който отразява излъчването, което не попада директно върху приемника. За да се минимизират топлинните загуби, приемникът обикновено е капсулиран в стъклена тръба, позволяваща безпрепятственото преминаване на отразената от огледалата светлина и същевременно осигуряваща защита от вятъра.

Производството на френелови колектори е по-евтино в сравнение с параболичните. Тъй като първичните огледала са фиксирани близо до земната повърхност, те са леснодостъпни за почистване и поддръжка.

Освен това заради намалените ветрови натоварвания те не изискват сложна механична опорна структура. Натоварването на основите също не е голямо и в зависимост от размера на колекторите те дори могат да бъдат заменени от анкери.

Опростената и по-евтина структура обаче има и своите недостатъци в сравнение с параболичните колектори със същите размери. Годишният добив на един френелов колектор е значително по-малък, около 71% от този на параболичен концентратор с аналогична големина.

По-големите загуби от засенчване в сутрешните и вечерните часове означава, че френеловите колектори доставят непостоянно захранване, което води до по-често частично натоварване на турбините.