Zonne-energie met Fresnel-spiegels

De Fresnel-spiegel en het gebruik van zonne-energie.

23 augustus 2005

Ik ben niet de enige die hieraan heeft gedacht, getuige dit artikel: http://www.klimaschutz.com/synth/sfc021001.htm

Een lezeres, Laure Emmanuelle Muller, heeft het voor ons vertaald. Wij danken haar daarvoor.

Ik maak er een samenvatting van vooraf.

De Belgen hebben gekozen voor een formule met een vaste warmte-collectorbuis, waarin direct stoom wordt opgewekt en waarop de zonnestraling wordt geconcentreerd met behulp van een reeks spiegels die op de grond zijn geplaatst, in de vorm van lange banden, waarvan de oriëntatie mechanisch wordt geregeld.

solarmondo efficiency

Systeem "Solarmondo". Vlakke spiegels (1000 m lang), draaibaar. Vaste collectorbuis. Daaronder, gewassen.

Zoals te zien is op dit schema, worden reflecterende banden, spiegels van 1000 m lang, bevestigd op een chassis. Onder dit chassis is het mogelijk, in gebieden met zeer hoge instraling, om gewassen te ontwikkelen; een deel van de verzamelde energie kan dienen voor ... het ontzouten van zeewater. Een dergelijk systeem zou kunnen worden geïnstalleerd in de regio Dubai, in de Verenigde Arabische Emiraten, waar de kust uiteindelijk weinig belang heeft en zich bevindt in de buurt van een immense, zeer vlakke woestijn, die ook weinig belang heeft. Deze installaties, die bio-woestijnen creëren, zouden niet onverenigbaar zijn met deze dromen van luxe-toerisme die momenteel door de emirs worden ontwikkeld. Maar, uiteraard, is het ... iets anders.

Een variant zou bestaan uit een mobiele collector, gedragen door draaibare armen waarop wormschroeven zouden zijn bevestigd. De spiegel zou dan vast zijn. Hij zou dan, naar mijn mening, beter bestand zijn tegen hevige winden (men zou de collectorbuis invouwen door hem in een behuizing te plaatsen). Ook makkelijker schoon te maken, met behulp van een ruitenwisser. Dit type spiegel zou zich ook beter lenen voor een wereldwijde standaardisatie door elementen aan te leveren.

solaire Fresnel JPP

Zonne-energiecollector met vaste spiegel en mobiele focusbuis.

Beide formules zouden moeten worden getest. De Belgen hebben hun systeem al succesvol getest. Niets op dit vlak in Frankrijk, tenzij ik me vergis.

http://www.solarmundo-power.com

De Lichte Solarmundo Fresnel-Collector (SFC)

kan zonne-energie goedkoper maken dan olie

Een evaluatie van het potentieel van de nieuwe Solarmundo-collector voor de klimaatbescherming

Christoph Bals (Germanwatch, bals@germanwatch.org), en

Dr. rer. nat. Gerhard Knies (Hamburger Klimaschutz-Fonds, knies.gerhard@t-online.de)

Een artistieke weergave van een solarmondo-unit, geïmplementeerd in een woestijn

Na een zorgvuldige inspectie van de nieuwe lichte Solarmundo Fresnel-collector (SFC), komen de twee auteurs tot de volgende evaluatie: Met deze recente ontwikkeling, in landen met veel zon, zou zonne-energie binnen enkele jaren goedkoper kunnen worden dan olie, zonder verdere technologische doorbraken. Als de SFC werkt zoals gepland, zal hij een enorm potentieel bieden voor de wereldwijde klimaatbescherming, en voor over de hele wereld, schone en onuitputtelijke elektriciteit. - Bonn en Hamburg, oktober 2001.

Prestaties van SFC-centrales
Schone elektriciteit, goedkoper dan met olie:

Op locaties met goede zonnestraling kan de Solarmundo-collector (

) stoom produceren die goedkoper is dan met olie, voor olieprijsen boven 20 US $. Dit betekent dat een zonne-energiecentrale elektriciteit kan produceren met lagere kosten dan een thermische oliecentrale.

Gecombineerd met het ontzouten van water

De koelvermogen, zoals in elke thermische centrale, kan worden gebruikt voor het ontzouten van zeewater of brak water. Een zonne-energiecentrale van 400 MW zou 10 tot 20 duizend kubieke meter per uur kunnen co-genereren. Deze technologie is goed gevestigd.

Gecombineerd met de cultivering van de sites

De vlakke spiegel van de SFC bevindt zich op ongeveer 4 meter boven de grond. In de schaduw eronder zijn de lichtintensiteit en de verdamping van water verminderd. Er is voldoende licht om, bijvoorbeeld, tomaten te laten groeien.

Een fabriek van 400 MW zou ongeveer 3 vierkante kilometer schaduw bieden voor gewassen. Het water voor irrigatie zou afkomstig kunnen zijn van het ontzouten.

De details van deze toepassing, zoals de opbrengst per oogst en hectare en het benodigde water voor irrigatie, moeten worden geëvalueerd door een haalbaarheidsstudie en bestudeerd in een pilotproject.

Toekomstig potentieel met geïntegreerde opslag van zonne-energie

Er is een veelbelovend perspectief voor een vrij eenvoudige aanpassing voor warmteopslag, en daarvoor de levering van elektriciteit op verzoek 24 uur per 24. Dit geeft zonne-elektriciteit een groot potentieel voor de energievoorziening van zonnige landen, en voor de export naar de geïndustrialiseerde landen van het Noorden.

De SFC-technologie biedt dus interessante mogelijkheden om kosteneffectief schone elektriciteit te leveren in zonnige landen, voor hun eigen behoeften en voor export, en om gevaren voor het lokale milieu te vermijden zoals de vervuilende verbranding van steenkool of de kap van haardhout. Aangezien een groot deel van de bouwwerkzaamheden en het onderhoud en de exploitatie kan worden uitgevoerd door lokale arbeidskrachten, kan dit industriële werkgelegenheid creëren in ontwikkelingslanden.

Computeranimatie: 4 rijen SFC-collectors met de stoomoverdrachtlijn naar de centrale.

Potentieel van SFC voor wereldwijde klimaatbescherming

De SFC-technologie zou onze capaciteiten voor de productie van zonne-elektriciteit aanzienlijk vergroten. Zodra deze technologie wordt geverifieerd door een volledige exploitatiesoftware - waarschijnlijk binnen 1 of 2 jaar - zou zij kunnen bijdragen aan het leveren van schone elektriciteit voor de enorme toekomstige behoeften die worden voorspeld in zonnige ontwikkelingslanden, inclusief India en China. Hier zijn nieuwe capaciteiten voor honderden gigawatt nodig.

Gecombineerd met een relatief lage kostprijs van energietransport over lange afstand via hoogspanningslijnen voor gelijkstroom (HVDC), woont ongeveer 95% van de wereldbevolking binnen bereik van geschikte woestijngebieden voor de productie van thermische zonne-elektriciteit tegen lage kosten en met voldoende ruimte voor collectorvelden. Bijvoorbeeld voor de productie van 500 TWh/jaar elektriciteit, wat overeenkomt met 20% van het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van de EU, is een collectorveld van ongeveer 45

45 km nodig, en een Sahara-zon. Marokko biedt beide voorwaarden: goede instraling en een eenvoudige aansluiting op het Europese netwerk.

Aangezien warmteopslag een productie op verzoek van elektriciteit dag en nacht zou mogelijk maken, zou met deze toekomstige toepassing de SFC-technologie aanzienlijk kunnen bijdragen aan de wereldwijd vereiste snelle overgang naar schone elektriciteit.

Al met de huidige bouwmethodes zou deze zonne-elektriciteit concurrerend kunnen zijn met oliecentrales. Andere conceptuele verbeteringen en andere kostendalingen moeten worden verwacht van de uitbreiding van de productiecapaciteiten.

Vanwege het uitzonderlijke potentieel van de SFC-technologie voor wereldwijde klimaatbescherming, is er een significant publiek belang om de ontwikkeling van deze technologie zo veel mogelijk te versnellen. Daarom raden wij een passende ondersteuning aan voor een snelle verificatie van het potentieel van deze technologie. In geval van succesvolle tests, zou de deur openstaan voor een wereldwijde marktintroductie.

De volledige kracht voor wereldwijde klimaatbescherming kan komen van een onbeperkte Noord-Zuid-samenwerking.

De SFC - technische inrichtingen

Zonlicht kan worden geconcentreerd door een parabolische spiegel om stoom te produceren voor een centrale. De Franse fysicus A. J. Fresnel (1788 - 1827) heeft een eenvoudig systeem uitgevonden om gebogen spiegels te vervangen door een plat ensemble van spiegelbanden.

Met dit systeem heeft Solarmundo NV (België) de omvangrijke kom van de parabolische spiegel omgezet in een eenvoudige vlakke oppervlakte bestaande uit verlengde spiegelbanden. Een rij van 48 van deze banden, elk 50 centimeter breed en tot ongeveer 1000 meter lang, reflecteert het zonlicht op een collectorbuis van 1000 meter lang gemonteerd op 15 meter boven de rij. De spiegelbanden kunnen rond hun longitudinale assen worden gekanteld om de zon te volgen. Bij helder weer zou het geconcentreerde zonlicht de collectorbuis kunnen verwarmen tot meer dan 500° Celsius. Dit is voldoende om stoom te produceren voor een conventionele turbine gekoppeld aan een generator van 4,8 megawatt. Een groot aantal van deze collector-elementen kan worden gecombineerd om de capaciteiten te vergroten - tot honderden megawatt.

Hier vatten we de verbeteringen samen die het SFC-ontwerp biedt ten opzichte van de eerste generatie lineaire parabolische collectors met kom, die sinds 10 jaar zeer betrouwbaar functioneren in de Mojave-woestijn in Californië.

Verschil in het ontwerp:

Een grote parabolische spiegel, met een typische breedte van 6 meter, rustend op een complexe mobiele draagstructuur om de zon te volgen, wordt vervangen door een vaste en horizontale rij van kleine draaibare vlakke spiegelbanden en een kleine secundaire concentrator achter de collectorbuis.
De brandpunt van de mobiele parabool - die de beweging van de zon volgt - wordt vervangen door een vaste focale lijn, waarop elk spiegel-element en de secundaire concentrator het zonlicht reflecteren. De collectorbuis is nu in een vaste positie.
De draagstructuur voor de spiegelassen en voor de collectorbuis is vast.

Dankzij een nieuwe oppervlaktecoating van de collectorbuis, zou de dure vacuümisolatie van de lange buis kunnen worden vervangen door een eenvoudige bescherming tegen warmteverlies en straling in normale atmosfeer.

De stoom wordt direct geproduceerd in de collectorbuis, in plaats van na thermische overdracht naar een stoomketel via een speciale vloeistof en via warmtewisselaars.

Verschil in efficiëntie bij het verzamelen van licht en prestaties gedurende de dag

De vergeleken efficiënties van systemen gebaseerd op parabolische spiegels en op Fresnel-collectors

(op de breedtegraad van Caïro). Men ziet dat dit vrij vergelijkbaar is.

De bedekking van het collectorveld door de spiegel-elementen is verschillend in de twee inrichtingen.

In de Solarmundo-inrichting is het collectorveld bijna volledig bedekt met spiegels. Dit leidt tot enige wederzijdse beschaduwing in de extreme uren van de dag, vroeg en laat in de dag. In de parabolische inrichtingen zijn de paraboolrijen, uitgelijnd noord-zuid, gescheiden door 2 lege rijen, om beschaduwing in de ochtend en middag te vermijden, wat resulteert in een lagere opbrengst, in slechts 1/3 van het collectorveld, maar constanter gedurende de dag.

Vanuit het perspectief van de gebruikte spiegeloppervlakte is de verzameling van straling beter voor de Solarmundo Fresnel-collectors, en vanuit het perspectief van de spiegelsector is de verzameling van straling beter met parabolische spiegels.

Kostendalingen worden voornamelijk gerealiseerd door:
Veel kleine vlakke spiegels die eenvoudig te bouwen zijn in plaats van een grote speciaal ontworpen (parabolische) spiegel.
Alleen de kleine spiegels worden gedraaid om de zon te volgen. Hun steunassen, armaturen en de collectorbuis blijven vast.
De gehele draagstructuur kan eenvoudig worden gemaakt van standaarddelen.
De permanente horizontale positie van de spiegelrij vermindert de windkracht aanzienlijk.
De vacuümisolatie rond de collectorbuis kon worden vermeden.
Directe stoomproductie in de collectorbuis.
Goedkope lokale arbeidskrachten kunnen op grote schaal worden gebruikt voor het assembleren van componenten.
Vereenvoudigde exploitatie en onderhoud van het collectorveld.
Ontwikkelingsstadium

Tot nu toe zijn de Fresnel-spiegelbanden, de secundaire concentrator en de collectorbuis gerealiseerd, getest in het laboratorium en geassembleerd in een pilotinstallatie, in België, op een breedte van 24 meter, maar met een lengte van slechts 100 meter in plaats van de 1000 meter die gepland waren voor de beoogde standaardmodule van 4,8 MW.

De mechanische functies van de collector zijn geverifieerd in deze pilotinstallatie. Bovendien is stoom geproduceerd bij een temperatuur van 270 graden Celsius, in overeenstemming met de verwachtingen voor de pilotinstallatie, met een maximale temperatie beperkt door een voorlopige selectieve coating op de collectorbuis. Een nieuwe selectieve coating, speciaal voor hoge temperaturen, is succesvol getest in het laboratorium, bij 500 graden Celsius. De productie van buizen met deze coating is gestart. De langdurige stabiliteit van de eigenschappen van hoge absorptie en lage straling van deze coating, en de controle van het stoomproductieproces, moeten worden geverifieerd bij de geplande werktemperaturen van 400 graden Celsius met een collector op echte schaal en volledige zonnestraling.

De aanvullende inrichtingen voor warmteopslag en landbouwteelt bestaan tot nu toe alleen "op papier".

Volgende stappen
De volgende stap is het demonstreren van de werking van de collector onder realistische zonne-omstandigheden en gedurende een redelijke periode, bijvoorbeeld enkele maanden. Hiervoor moet een demonstratiefabriek, bestaande uit ten minste een volledige collectorrij voor ongeveer 5 MW, worden gebouwd en geëxploiteerd voor de zonne-productie van stoom.

Dit vereist een investering van 8 tot 10 miljoen € en de identificatie van een locatie met sterke instraling en lage arbeidskosten. De regering van Marokko heeft aangeboden een geschikte locatie te leveren. In Zuid-Europa, met minder instraling en hogere arbeidskosten, zou het ongeveer 50% duurder zijn.

Het zou wenselijk zijn dat de bouwwerkzaamheden begin 2002 starten (! ...).

Parallel aan de bouwwerkzaamheden moeten er haalbaarheidsstudies zijn over technische potentieel en marktstudies van de landbouwoptie voor de Solarmundo-collectorvelden, evenals een demonstrator.
De technische haalbaarheid van dag-nacht energieopslag moet worden bestudeerd, evenals de betekenis van de productie van elektriciteit op verzoek, voor de eigen voorziening en voor de grootschalige export van elektriciteit.
Gebaseerd op de ervaring van de bouw en exploitatie van de demonstratiefabriek, moeten de planning en bouw van commerciële centrales in het bereik van 50 tot honderden MW worden gestart.