תחנות כוח סולאריות תרמיות של מגדל, מערכות ריכוז אנרגיה סולארית

השמש היא מקור לאנרגיה "נקייה" במיוחד. כיום, בכל העולם, העבודה על השימוש בשמש מתפתחת לכיוונים רבים. קודם כל, מתפתחת מה שנקרא תעשיית החשמל הקטנה, הכוללת בעיקר חימום מבנים ואספקת חום. אבל כבר ננקטו צעדים רציניים בתחום האנרגיה בקנה מידה גדול - תחנות כוח סולאריות נוצרות על בסיס פוטו-המרה והמרה תרמית. במאמר זה נספר לכם על הסיכויים של תחנות מהכיוון השני.

טכנולוגיית אנרגיה סולארית מרוכזת, הידועה ברחבי העולם כ-CSP (Concentrated Solar Power), היא סוג של תחנת כוח סולארית המשתמשת במראות או בעדשות כדי לרכז כמויות גדולות של אור שמש לאזור קטן.

אין לבלבל בין CSP לבין פוטו-וולטאים מרוכזים - הידוע גם בשם CPV (פוטו-וולטאים מרוכזים). ב-CSP, אור שמש מרוכז הופך לחום, ולאחר מכן החום הופך לחשמל.מצד שני, ב-CPV, אור שמש מרוכז מומר ישירות לחשמל באמצעות אפקט פוטואלקטרי.

שימוש תעשייתי ברכזי שמש

אנרגיה סולארית

השמש שולחת זרם עוצמתי של אנרגיה קורנת לכיוון כדור הארץ. גם אם ניקח בחשבון ש-2/3 ממנו משתקף ומתפזר באטמוספירה, עדיין פני כדור הארץ מקבלים 1018 קילוואט-שעה של אנרגיה ב-12 חודשים, שהם פי 20,000 יותר ממה שהעולם צורך בשנה.

זה טבעי ששימוש במקור האנרגיה הבלתי נדלה הזה למטרות מעשיות תמיד נראה מפתה מאוד. עם זאת, הזמן חלף, האדם בחיפוש אחר אנרגיה יצר מנוע חום, חסם נהרות, בקע אטום והשמש המשיכה לחכות בכנפיים.

למה כל כך קשה לשלוט באנרגיה שלו? ראשית, עוצמת קרינת השמש משתנה במהלך היום, דבר שאינו נוח ביותר לצריכה. המשמעות היא שהתחנה הסולארית חייבת להתקין סוללה או לעבוד יחד עם מקורות אחרים. אבל זה עדיין לא החיסרון הגדול ביותר. גרוע בהרבה, צפיפות קרינת השמש על פני כדור הארץ נמוכה מאוד.

אז באזורים הדרומיים של רוסיה, זה רק 900 - 1000 W / m2 ... זה מספיק רק כדי לחמם את המים בקולטים הפשוטים ביותר לטמפרטורות של לא יותר מ 80 - 90 מעלות צלזיוס.

הוא מתאים לאספקת מים חמים ובחלקו לחימום, אך בשום מקרה לא לייצור חשמל. יש צורך בטמפרטורות גבוהות בהרבה כאן. כדי להגדיל את צפיפות השטף, יש צורך לאסוף אותו משטח גדול ולהפוך אותו מפוזר למרוכז.

הפקת אנרגיה עם מערכות ריכוז סולאריות

שיטות לריכוז אנרגיית השמש היו ידועות עוד מימי קדם.נשמרה אגדה על האופן שבו ארכימדס הגדול, בעזרת מראות נחושת מלוטשות קעורות, שרף את הצי הרומי שצר עליו במאה ה-3 לפני הספירה. נ.ס. סירקיוז. ולמרות שהאגדה הזו אינה מאושרת על ידי מסמכים היסטוריים, עצם האפשרות של חימום במוקד של מראה פרבולית כל חומר לטמפרטורות של 3500 - 4000 מעלות צלזיוס היא עובדה שאין עליה עוררין.

ניסיונות להשתמש במראות פרבוליות ליצירת אנרגיה שימושית החלו במחצית השנייה של המאה ה-19. עבודה אינטנסיבית במיוחד בוצעה בארה"ב, אנגליה וצרפת.

מראה פרבולית ניסיונית לשימוש באנרגיה תרמית סולארית בלוס אנג'לס, ארה"ב (בערך 1901).

בשנת 1866, אוגוסטין מוחאו השתמש בגליל פרבולי כדי ליצור קיטור במנוע הקיטור הסולארי הראשון.

תחנת הכוח הסולארית של א.מושו, שהוצגה בתערוכת התעשייה העולמית בפריז ב-1882, עשתה רושם עצום על בני זמננו.

הפטנט הראשון על קולט שמש הושג על ידי אלסנדרו בטגליה האיטלקי בגנואה (איטליה) בשנת 1886. בשנים הבאות פיתחו ממציאים כמו ג'ון אריקסון ופרנק שומאן מכשירים הפועלים על ידי ריכוז אנרגיית השמש להשקיה, קירור ותנועה.

מנוע סולארי, 1882

המפעל הסולארי של פרנק שומאן בקהיר

בשנת 1912 נבנתה ליד קהיר תחנת הכוח הסולארית הראשונה בהספק של 45 קילוואט עם רכזים פרבוליים-גליליים בשטח כולל של 1200 מ"ר ששימשה במערכת ההשקיה. צינורות הונחו במוקד של כל מראה. קרני השמש התרכזו על פני השטח שלהן.המים בצינורות הופכים לקיטור, הנאספים בקולט משותף ומוכנסים למנוע הקיטור.

באופן כללי, יש לציין שזו הייתה תקופה שבה האמונה בכוח המיקוד הפנטסטי של מראות תפסה מוחות רבים. הרומן של א. טולסטוי "ההיפרבולואיד של המהנדס גארין" הפך לסוג של הוכחה לתקוות אלו.

ואכן, במספר תעשיות, מראות כאלה נמצאות בשימוש נרחב. על פי עיקרון זה, מדינות רבות בנו תנורים להיתוך חומרים עקשן בטוהר גבוה. לדוגמה, בצרפת יש את התנור הגדול בעולם עם קיבולת של 1 MW.

ומה לגבי מתקנים להפקת אנרגיה חשמלית? כאן התמודדו מדענים עם מספר קשיים. קודם כל, העלות של מערכות מיקוד עם משטחי מראה מורכבים התבררה כגבוהה מאוד. כמו כן, ככל שגודל המראות גדל, העלות גדלה באופן אקספוננציאלי.

כמו כן, צור מראה בשטח של 500 - 600 מ"ר קשה מבחינה טכנית, ותוכל לקבל ממנה לא יותר מ-50 קילוואט כוח. ברור שבתנאים אלו הספק היחידה של המקלט הסולארי מוגבל משמעותית.

ועוד שיקול חשוב לגבי מערכות מראה מעוקלות. באופן עקרוני, ניתן להרכיב מערכות גדולות למדי ממודולים בודדים.

להתקנות נוכחיות מסוג זה ראה כאן: דוגמאות לשימוש בריכוזי שמש

שוקת פרבולית בשימוש בתחנת הכוח הסולארית המרוכזת לוקהארט ליד הארפר לייק, קליפורניה (Mojave Solar Project)

תחנות כוח דומות נבנו במדינות רבות. עם זאת, יש חסרון רציני בעבודתם - הקושי באיסוף אנרגיה.אחרי הכל, לכל מראה יש מחולל אדים משלה במוקד, וכולם פרוסים על פני שטח גדול. המשמעות היא שיש לאסוף את הקיטור ממקלטים סולאריים רבים, מה שמקשה מאוד ומייקר את עלות התחנה.

מגדל סולארי

גם בשנים שלפני המלחמה העלה המהנדס נ.ו.ליניצקי את הרעיון של תחנת כוח סולארית תרמית עם מקלט סולארי מרכזי הממוקם על מגדל גבוה (תחנת כוח סולארית מסוג מגדל).

בסוף שנות ה-40, מדענים ממכון המחקר הממלכתי לאנרגיה (ENIN) על שם V.I. G.M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum ו-B. A. Garf פיתחו תפיסה מדעית ליצירת תחנה כזו. הם הציעו לנטוש את המראות המעוקלות המורכבות והיקרות, ולהחליף אותן בהליוסטטים השטוחים הפשוטים ביותר.

עקרון הפעולה של תחנות כוח סולאריות ממגדל הוא די פשוט. קרני השמש משתקפות על ידי הליוסטטים מרובים ומופנות אל פני השטח של מקלט מרכזי - מחולל קיטור סולארי המוצב על המגדל.

בהתאם למיקום השמש בשמים, גם הכיוון של ההליוסטטים משתנה אוטומטית. כתוצאה מכך, לאורך כל היום, זרם מרוכז של אור שמש, המשתקף ממאות מראות, מחמם את מחולל הקיטור.

ההבדל בין עיצובי SPP המשתמשים בריכוזי פרבולי, SPP עם רכזי דיסקים ו-SPP ממגדל

הפתרון הזה התברר כפשוט כמו שהיה מקורי. אבל הדבר החשוב ביותר היה שבאופן עקרוני, ניתן היה ליצור תחנות כוח סולאריות גדולות ביחידת הספק של מאות אלפי קילוואט.

מאז, הרעיון של תחנת כוח תרמית סולארית מסוג מגדל זכה להכרה עולמית. רק בסוף שנות ה-70 נבנו תחנות כאלה בעלות הספק של 0.25 עד 10 מגוואט בארה"ב, צרפת, ספרד, איטליה ויפן.

מגדל שמש SES Themis בפירנאים-אוריינטליים בצרפת

על פי הפרויקט הסובייטי הזה, ב-1985 בחצי האי קרים, ליד העיר שטלקינו, נבנתה תחנת כוח סולארית ניסיונית מסוג מגדל בהספק של 5 MW (SES-5).

ב-SES-5, נעשה שימוש במחולל קיטור סולארי עגול פתוח, שמשטחיו, כמו שאומרים, פתוחים לכל הרוחות. לכן, בטמפרטורות סביבה נמוכות ובמהירות רוח גבוהה, הפסדי הסעה גדלים בחדות והיעילות יורדת באופן משמעותי.

כיום מאמינים שמקלטים מסוג Cavity הם הרבה יותר יעילים. כאן, כל המשטחים של מחולל הקיטור סגורים, שבגללם הפסדי הסעה וקרינה מופחתים בחדות.

בשל פרמטרי הקיטור הנמוכים (250 מעלות צלזיוס ו-4MPa), היעילות התרמית של SES-5 היא רק 0.32.

לאחר 10 שנות פעילות בשנת 1995 SES-5 בקרים נסגר, ובשנת 2005 המגדל נמסר לגרוטאות.

דגם SES-5 במוזיאון הפוליטכני

תחנות כוח סולאריות של מגדל הפועלות כיום משתמשות בעיצובים ומערכות חדשות המשתמשות במלחים מותכים (40% אשלגן חנקתי, 60% נתרן חנקתי) כנוזלי עבודה. נוזלי עבודה אלה הם בעלי יכולת חום גבוהה יותר ממי הים, אשר שימשו במתקני הניסוי הראשונים.

תרשים טכנולוגי של תחנת כוח תרמית סולארית מודרנית

תחנת כוח סולארית מודרנית במגדל

כמובן שתחנות כוח סולאריות הן עסק חדש ומסובך ובאופן טבעי יש להן מספיק מתנגדים. לרבים מהספקות שהם מביעים יש סיבות טובות למדי, אבל קשה להסכים עם אחרים.

למשל, נאמר לעתים קרובות ששטחי קרקע גדולים נדרשים לבניית תחנות כוח סולאריות במגדלים. עם זאת, לא ניתן לשלול את האזורים שבהם מיוצר דלק להפעלת תחנות כוח מסורתיות.

יש עוד מקרה משכנע יותר לטובת תחנות כוח סולאריות במגדל. השטח הספציפי של האדמה המוצפת על ידי מאגרים מלאכותיים של תחנות כוח הידרואלקטריות הוא 169 הקטרים ​​/ מגוואט, שהוא גבוה פי כמה מהאינדיקטורים של תחנות כוח סולאריות כאלה. יתרה מכך, במהלך הקמת תחנות כוח הידרואלקטריות, מוצפות לעתים קרובות אדמות פוריות יקרות מאוד, ואמורים להיבנות מגדלים SPP באזורים מדבריים - על אדמות שאינן מתאימות לחקלאות ולא להקמת מתקנים תעשייתיים.

סיבה נוספת לביקורת על SPPs של מגדלים היא צריכת החומרים הגבוהה שלהם. יש אפילו ספק אם SES תוכל להחזיר את האנרגיה שהושקעה לייצור ציוד והשגת חומרים המשמשים לבנייתו במהלך תקופת הפעילות המשוערת.

אכן, מתקנים כאלה הם עתירי חומר, אך חיוני שלמעשה כל החומרים מהם בנויים תחנות כוח סולאריות מודרניות אינם במחסור.חישובים כלכליים שבוצעו לאחר השקת תחנות הכוח הסולאריות המודרניות הראשונות של המגדלים הראו את היעילות הגבוהה שלהן ותקופות החזר טובות למדי (ראה להלן דוגמאות לפרויקטים מוצלחים כלכלית).

עתודה נוספת להגברת יעילותן של תחנות כוח סולאריות עם מגדל היא יצירת מפעלים היברידיים, בהם יפעלו מפעלים סולאריים יחד עם מפעלים תרמיים קונבנציונליים של דלק מסורתי.במפעל המשולב, בשעות של קרינת שמש עזה, הדלק. המפעל מפחית את כוחו ו"מאיץ" במזג אוויר מעונן ובעומס שיא.

דוגמאות לתחנות כוח סולאריות מודרניות

ביוני 2008 פתחה ברייט סורס אנרג'י מרכז לפיתוח אנרגיה סולארית במדבר הנגב בישראל.

באתר הוא ממוקם בפארק התעשייה רותמה, הותקנו למעלה מ-1,600 הליוסטטים שעוקבים אחר השמש ומחזירים אור על מגדל סולארי באורך 60 מטר. האנרגיה המרוכזת משמשת לאחר מכן לחימום הדוד בראש המגדל ל-550 מעלות צלזיוס, תוך יצירת קיטור הנשלח לטורבינה שבה מופק חשמל. הספק תחנת כוח 5 MW.

בשנת 2019, אותה חברה בנתה תחנת כוח חדשה במדבר הנגב -אשלים... טויה המורכב משלושה חלקים עם שלוש טכנולוגיות שונות, המפעל משלב שלושה סוגי אנרגיה: אנרגיה תרמית סולארית, אנרגיה פוטו וולטאית וגז טבעי (תחנת כוח היברידית). ההספק המותקן של המגדל הסולארי הוא 121 MW.

התחנה כוללת 50,600 הליוסטטים נשלטי מחשב, המספיקים להפעלת 120,000 בתים. גובה המגדל הוא 260 מטר.זה היה הגבוה בעולם, אך לאחרונה עקף אותו המגדל הסולארי בגובה 262.44 מטר בפארק הסולארי מוחמד בן ראשיד אל מקטום.

תחנת כוח במדבר הנגב בישראל

בקיץ 2009 בנתה חברת eSolar האמריקאית מגדל סולארי מגדל השמש של סיירה עבור תחנת כוח של 5 מגה וואט הממוקמת בלנקסטר, קליפורניה, כ-80 ק"מ צפונית ללוס אנג'לס. תחנת הכוח משתרעת על שטח של כ-8 דונם בעמק יבש ממערב למדבר מוהאבי בקו הרוחב 35°N.

מגדל השמש של סיירה

נכון ל-9 בספטמבר 2009, בהתבסס על דוגמה של תחנות כוח קיימות, הוערך כי עלות בניית תחנת כוח סולארית במגדל (CSP) היא 2.5 עד 4 דולר ארה"ב לוואט, בעוד שהדלק (קרינת השמש) הוא חינם . לפיכך, הקמת תחנת כוח כזו בהספק של 250 MW עולה בין 600 ל-1000 מיליון דולר. המשמעות היא מ-0.12 עד 0.18 דולר/קוט"ש.

כמו כן, נמצא כי מפעלי CSP חדשים יכולים להיות תחרותיים כלכלית עם דלקים מאובנים.

נתנאל בולארד, אנליסט ב-Bloomberg New Energy Finance, העריך כי עלות החשמל המופקת על ידי תחנת הכוח הסולארית איוואנפה, שהושקה ב-2014, נמוכה מהחשמל המופק על ידי תחנת כוח פוטו-וולטאית, והוא כמעט זהה לחשמל מתחנת כוח בגז טבעי.

המפורסמת ביותר מבין תחנות הכוח הסולאריות כרגע היא תחנת הכוח Gemasolar בהספק של 19.9 MW, ממוקם מערבית לעיר Esia שבאנדלוסיה (ספרד). תחנת הכוח נחנכה על ידי מלך ספרד חואן קרלוס ב-4 באוקטובר 2011.

תחנת כוח Gemsolar

פרויקט זה, שקיבל מענק של 5 מיליון יורו מהנציבות האירופית, משתמש בטכנולוגיה שנבדקה על ידי חברת Solar Two האמריקאית:

• 2,493 הליוסטטים בשטח כולל של 298,000 מ"ר משתמשים בזכוכית עם רפלקטיביות טובה יותר, שעיצובם הפשוט מפחית את עלויות הייצור ב-45%.

• מערכת אחסון אנרגיה תרמית גדולה יותר עם קיבולת של 8,500 טון מלחים מותכים (חנקות), המספקת אוטונומיה של 15 שעות (כ-250 MWh) בהיעדר אור שמש.

• עיצוב משאבה משופר המאפשר שאיבת מלחים ישירות ממיכלי אגירה ללא צורך בבור.

• מערכת הפקת קיטור כולל מחזור מאולץ של קיטור.

• טורבינת קיטור עם לחץ גבוה יותר ויעילות גבוהה יותר.

• מעגל זרימת מלח מותך פשוט, הפחתת בחצי את מספר השסתומים הנדרשים.

תחנת הכוח (מגדל והליוסטטים) משתרעת על שטח כולל של 190 דונם.

SPP Gemasolar Solar Tower

אבנגואה בנתה היי שמשי בדרום אפריקה - תחנת כוח בגובה 205 מטר והספק של 50 מגוואט. טקס הפתיחה התקיים ב-27 באוגוסט 2013.

היי שמשי

Ivanpah מערכת ייצור חשמל סולארית - תחנת כוח סולארית בהספק של 392 מגה וואט (MW) במדבר מוהאבי של קליפורניה, 40 מייל דרומית מערבית ללאס וגאס. תחנת הכוח הופעלה ב-13 בפברואר 2014.

Ivanpah מערכת ייצור חשמל סולארית

התפוקה השנתית של SPP זה מכסה את הצריכה של 140,000 משקי בית. התקינו 173,500 מראות הליוסטט הממקדות אנרגיית שמש על מחוללי קיטור הממוקמים בשלושה מגדלים סולאריים מרכזיים.

במרץ 2013 נחתם הסכם עם ברייט סורס אנרג'י להקמת תחנת כוח שַׂרוּף בקליפורניה, המורכבת משני מגדלים בגודל 230 מ' (250 מגה-וואט כל אחד), שהוזמנה ל-2021.

תחנות כוח נוספות של מגדל שמש פעיל: Solar Park (דובאי, 2013), Nur III (מרוקו, 2014), Crescent Dunes (נבדה, ארה"ב, 2016), SUPCON Delingha ו-Shouhang Dunhuang (Kathai, שניהם 2018.), Gonghe, Luneng Haixi וחמי (סין, כל 2019), סרו דומינדור (צ'ילה, אפריל 2021).

פתרון חדשני לאנרגיה סולארית

מכיוון שטכנולוגיה זו פועלת בצורה הטובה ביותר באזורים עם בידוד גבוה (קרינת שמש), מומחים צופים כי הגידול הגדול ביותר במספר תחנות הכוח הסולאריות של המגדלים יהיה במקומות כמו אפריקה, מקסיקו ודרום מערב ארצות הברית.

מאמינים גם שלאנרגיה סולארית מרוכזת יש סיכויים רציניים ושהיא יכולה לספק עד 25% מצרכי האנרגיה של העולם עד שנת 2050. כיום מפותחים בעולם יותר מ-50 פרויקטים חדשים של תחנות כוח מסוג זה.