塔式热能太阳能发电厂、太阳能聚光系统

太阳是一种极其“清洁”的能源。今天，在世界各地，利用太阳的工作正朝着许多方向发展。首先，所谓的小电力行业正在发展，主要包括建筑采暖和供热。但是在大规模能源领域已经采取了认真的步骤——太阳能发电厂正在光转换和热转换的基础上建立起来。在本文中，我们将从第二个方向向您介绍车站的前景。

聚光太阳能发电技术，在世界范围内被称为CSP（Concentrated Solar Power），是一种利用镜子或透镜将大量太阳光集中到一个小区域的太阳能发电厂。

CSP 不应与聚光光伏相混淆——也称为 CPV（聚光光伏）。在 CSP 中，集中的太阳光被转化为热能，然后热能被转化为电能。另一方面，在 CPV 中，集中的阳光通过 光电效应.

太阳能聚光器的工业用途

太阳能

太阳向地球方向发出强大的辐射能流。即使我们考虑到其中 2/3 被大气层反射和散射，地球表面在 12 个月内仍然接收到 1018 千瓦时的能量，这是世界一年消耗的能量的 20,000 倍。

很自然地，将这种取之不尽、用之不竭的能源用于实际目的似乎总是很诱人。然而，时间流逝，寻找能量的人类创造了热机，堵塞了河流，分裂了一个原子，而太阳继续等待着。

为什么控制他的能量这么难？首先，白天太阳辐射强度变化大，消费极为不便。这意味着太阳能站必须安装电池或与其他来源一起工作。但这仍然不是最大的缺点。更糟糕的是，地球表面的太阳辐射密度非常低。

所以在俄罗斯南部地区，它只有 900 — 1000 W/m2...这仅足以将最简单的收集器中的水加热到不超过 80 — 90 °C 的温度。

它适用于热水供应和部分供暖，但绝不用于发电。这里需要更高的温度。要提高磁通密度，就需要大面积收集，由散变集中。

太阳能聚光系统的能源生产

聚光太阳能的方法自古以来就为人所知。关于伟大的阿基米德如何在公元前3世纪借助凹面抛光铜镜烧毁围攻它的罗马舰队的传说一直流传至今。 NS。雪城。尽管这个传说没有得到历史文献的证实，但在抛物面镜的焦点中将任何物质加热到 3500 — 4000 ° C 的可能性是一个不争的事实。

使用抛物面镜产生有用能量的尝试始于 19 世纪下半叶。在美国、英国和法国进行了特别密集的工作。

美国洛杉矶使用太阳热能的实验性抛物面镜（约 1901 年）。

1866 年，Augustin Mouchaud 在第一台太阳能蒸汽机中使用抛物线圆柱体产生蒸汽。

A. Mouchaud 的太阳能发电厂于 1882 年在巴黎世界工业展览会上展出，给同时代的人留下了深刻的印象。

1886 年，意大利人亚历山德罗·巴塔利亚 (Alessandro Battaglia) 在热那亚（意大利）获得了太阳能收集器的第一项专利。在接下来的几年里，约翰·埃里克森 (John Erickson) 和弗兰克·舒曼 (Frank Schumann) 等发明家开发了通过集中太阳能进行灌溉、冷却和运动的设备。

太阳能发动机，1882 年

弗兰克舒曼在开罗的太阳能发电厂

1912 年，第一座容量为 45 千瓦的太阳能发电厂在开罗附近建成，总面积为 1200 平方米的抛物柱形聚光器用于灌溉系统。管子放置在每个镜子的焦点处。太阳光线集中在它们的表面。管道中的水变成蒸汽，被收集在一个公共收集器中并输送到蒸汽机。

总的来说，应该指出的是，在这个时期，许多人都相信镜子具有神奇的聚焦能力。 A. 托尔斯泰的小说《工程师加林的双曲面》成为这些希望的一种证明。

事实上，在许多行业中，这种镜子被广泛使用。根据这一原则，许多国家建造了熔炼高纯耐火材料的熔炉。例如，法国拥有世界上最大的烤箱，容量为 1 兆瓦。

发电装置又如何呢？在这里，科学家们面临着许多困难。首先，具有复杂镜面的聚焦系统的成本非常高。此外，随着反射镜尺寸的增加，成本呈指数级增长。

另外，制造一面面积为 500 — 600 m2 的镜子在技术上是有难度的，您从中获得的功率不超过 50 kW。显然，在这些条件下，太阳能接收器的单位功率受到显着限制。

还有一个关于曲面镜系统的更重要的考虑因素。原则上，相当大的系统可以由单独的模块组装而成。

对于这种类型的当前安装，请参见此处： 使用太阳能聚光器的例子

加利福尼亚州哈珀湖附近的洛克哈特集中太阳能发电厂使用的抛物线槽（莫哈维太阳能项目）

许多国家都建造了类似的发电厂。然而，他们的工作有一个严重的缺点——难以收集能量。毕竟，每一面镜子的焦点处都有自己的蒸气发生器，而且它们都散布在很大的面积上。这意味着必须从许多太阳能接收器收集蒸汽，这极大地复杂化并增加了电站的成本。

太阳能塔

甚至在战前年代，工程师 N. V. Linitsky 就提出了在高塔（塔式太阳能发电厂）上安装中央太阳能接收器的热能太阳能发电厂的想法。

在 1940 年代后期，国家能源研究所 (ENIN) 的科学家以 V.I. 的名字命名。 G. M. Krzhizhanovsky、R. R. Aparisi、V. A. Baum 和 B. A. Garf 为创建这样一个站开发了一个科学概念。他们提议放弃复杂昂贵的曲面镜，代之以最简单的平面定日镜。

塔式太阳能发电厂的运行原理非常简单。太阳光线被多个定日镜反射，并被引导到中央接收器的表面——一个放置在塔上的太阳能蒸汽发生器。

根据太阳在天空中的位置，定日镜的方向也会自动改变。因此，一整天，由数百面镜子反射的集中阳光为蒸汽发生器供暖。

使用抛物线聚光器的 SPP 设计、带有圆盘聚光器的 SPP 和塔式 SPP 之间的区别

事实证明，这个解决方案和原来一样简单。但最重要的是，从原则上讲，建立单位功率为数十万千瓦的大型太阳能发电厂成为可能。

从那时起，塔式太阳能热电厂的概念得到了全世界的认可。仅在 20 世纪 70 年代后期，美国、法国、西班牙、意大利和日本才建成容量为 0.25 至 10 兆瓦的电站。

法国东比利牛斯山脉的 SES Themis 太阳能塔

根据这个苏联项目，1985 年在克里米亚的 Shtelkino 市附近，建造了一座容量为 5 兆瓦 (SES-5) 的实验性塔式太阳能发电厂。

在 SES-5 中，使用了一个开放式圆形太阳能蒸汽发生器，正如他们所说，其表面对所有风都是开放的。因此，在低环境温度和高风速下，对流损失急剧增加，效率显着下降。

腔式接收器现在被认为效率更高。在这里，蒸汽发生器的所有表面都是封闭的，因此对流和辐射损失急剧减少。

由于蒸汽参数较低（250 °C 和 4MPa），SES-5 的热效率仅为 0.32。

经过 10 年的运营，1995 年克里米亚的 SES-5 关闭，2005 年该塔被移交报废。

理工学院博物馆中的 SES-5 模型

目前运行的塔式太阳能发电厂采用新设计和系统，使用熔盐（40% 硝酸钾、60% 硝酸钠）作为工作流体。这些工作流体比海水具有更高的热容量，海水在第一批实验装置中使用。

现代太阳能热电厂技术图

现代塔式太阳能发电厂

当然，太阳能电站是一门新的复杂的生意，自然有足够多的对手。他们表达的很多质疑都有很好的理由，但很难与其他人达成一致。

例如，人们常说建设塔式太阳能电站需要大面积的土地。但是，不能排除为传统发电厂的运行生产燃料的地区。

还有另一个更有说服力的案例支持塔式太阳能发电厂。水力发电厂人工水库淹没土地的比面积为169公顷/兆瓦，比此类太阳能发电厂的指标高出许多倍。此外，在水力发电厂建设过程中，非常宝贵的肥沃土地经常被淹没，而塔式 SPP 应该建在沙漠地区——既不适合农业也不适合建设工业设施的土地上。

批评塔式 SPP 的另一个原因是它们的高材料消耗。甚至怀疑SES是否能够在预计的运营期间收回用于生产设备和获取用于其建设的材料所花费的能源。

事实上，此类装置需要大量材料，但重要的是，现代太阳能发电厂所用的几乎所有材料都不短缺。在第一座现代塔式太阳能发电厂启动后进行的经济计算表明，它们的效率很高，投资回收期也相当有利（参见下文中经济上成功的项目示例）。

另一个提高塔式太阳能发电厂效率的储备是建立混合发电厂，其中太阳能发电厂将与传统燃料的传统热电厂一起工作。在联合发电厂，在强烈的太阳辐射时，燃料在多云天气和峰值负载时，工厂会降低功率并“加速”。

现代太阳能发电厂的例子

2008 年 6 月，Bright Source Energy 在以色列的内盖夫沙漠开设了一家太阳能开发中心。

在它所在的网站上 在 Rotema 工业园区，已经安装了 1,600 多个定日镜，它们跟随太阳并将光线反射到 60 米高的太阳能塔上。然后，集中的能量用于将塔顶的锅炉加热到 550°C，产生的蒸汽被送到涡轮机发电。电厂容量 5 兆瓦。

2019 年，同一家公司在内盖夫沙漠建造了一座新发电厂——阿沙林… Toya 该电厂由三个部分组成，采用三种不同的技术，结合了三种能源：太阳能热能、光伏能源和天然气（混合发电厂）。太阳能塔的装机容量为121兆瓦。

该站包括 50,600 个计算机控制的定日镜，足以为 120,000 个家庭供电。塔高260米。它是世界上最高的，但最近被穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆太阳能公园的 262.44 米高的太阳能塔超越。

以色列内盖夫沙漠的一座发电厂

2009年夏天，美国eSolar公司建造了一座太阳能塔 西拉太阳能塔 位于洛杉矶以北约80公里的加利福尼亚州兰开斯特市的一座5兆瓦发电厂，该发电厂占地约8公顷，位于北纬35°莫哈韦沙漠以西的干旱山谷中。

西拉太阳能塔

截至 2009 年 9 月 9 日，以现有发电厂为例，估计建造塔式太阳能发电厂 (CSP) 的成本为每瓦 2.5 美元至 4 美元，而燃料（太阳辐射）是免费的.因此，建造这样一座容量为 250 兆瓦的电厂需要 600 至 10 亿美元。这意味着从 0.12 到 0.18 美元/千瓦时。

还发现，新的 CSP 工厂可以在经济上与化石燃料竞争。

彭博新能源财经分析师纳撒尼尔布拉德估计，2014 年启动的 Iwanpa 太阳能发电厂的发电成本低于 光伏电站, 几乎与天然气发电厂的电力相同。

目前最著名的太阳能发电厂是发电厂 金马太阳能 容量为 19.9 兆瓦，位于安达卢西亚（西班牙）埃西亚市以西。 2011 年 10 月 4 日，西班牙国王胡安卡洛斯为该发电厂揭幕。

宝石太阳能发电厂

这个项目获得了欧盟委员会 500 万欧元的资助，使用了美国公司 Solar Two 测试的技术：

• 总面积达29.8万平方米的2493个定日镜采用了反射率更好的玻璃，其简化的设计使生产成本降低了45%。

• 一个更大的热能储存系统，容量为 8,500 吨熔盐（硝酸盐），在没有阳光的情况下提供 15 小时（约 250 兆瓦时）的自主权。

• 改进的泵设计使盐可以直接从储罐中泵出，无需集水槽。

• 包括蒸汽强制再循环的蒸汽发生系统。

• 汽轮机压力更高，效率更高。

• 简化熔盐循环回路，将所需阀门数量减半。

发电厂（塔和定日镜）总占地面积190公顷。

SPP Gemasolar 太阳能塔

阿文戈亚建造了 嘿晴天 在南非 — 一座高 205 米、容量为 50 兆瓦的发电站。开幕式于2013年8月27日举行。

嘿晴天

伊万帕太阳能发电系统 — 一座 392 兆瓦 (MW) 的太阳能发电厂，位于拉斯维加斯西南 40 英里的加利福尼亚州莫哈韦沙漠。该电厂于 2014 年 2 月 13 日投产。

伊万帕太阳能发电系统

该SPP的年产量可满足14万户家庭的消费。安装了 173,500 个定日镜，将太阳能聚焦到位于三个中央太阳能塔上的蒸汽发生器上。

2013年3月，与Bright Source Energy签订协议建设电厂 烧焦 位于加利福尼亚州，由两座 230 米塔（每座 250 兆瓦）组成，计划于 2021 年投产。

其他运营中的塔式太阳能发电厂：Solar Park（迪拜，2013 年）、Nur III（摩洛哥，2014 年）、Crescent Dunes（美国内华达州，2016 年）、SUPCON Delingha 和首航敦煌（Kathai，均为 2018 年）、共和、鲁能海西哈密​​（中国，2019 年），Cerro Dominador（智利，2021 年 4 月）。

太阳能的创新解决方案

由于这项技术在日照（太阳辐射）高的地区效果最好，专家预测，塔式太阳能发电厂数量增长最快的地区将是非洲、墨西哥和美国西南部等地。

人们还认为，聚光太阳能具有广阔的前景，到 2050 年，它可以提供全球高达 25% 的能源需求。目前，全球正在开发 50 多个此类发电厂的新项目。