Солнечная энергия с зеркалами Френеля

Солнечная энергетика с использованием зеркал Френеля

Зеркало Френеля и использование солнечной энергии.

23 августа 2005 года

Я не одинок в своих мыслях, о чём свидетельствует эта статья: http://www.klimaschutz.com/synth/sfc021001.htm

Читательница Лор Эмманюэль Мюллер перевела эту статью для нас. Мы благодарны ей за это.

Краткое содержание перед чтением.

Бельгийцы выбрали вариант, в котором используется неподвижная теплоприёмная труба, в которой напрямую образуется пар, а солнечное излучение концентрируется на ней с помощью ряда зеркал, установленных на земле в виде длинных полос, ориентация которых регулируется механически.

solarmondo efficiency

Система «Solarmondo». Поворотные плоские зеркала (длиной 1000 м). Неподвижная приёмная труба. Под ней — посевы.

Как видно на этой схеме, отражающие полосы — зеркала длиной 1000 м — закреплены на раме. Под этой рамой в регионах с очень высокой инсоляцией можно развивать сельское хозяйство; часть собранной энергии можно использовать для опреснения морской воды. Такую систему можно было бы установить в районе Дубая в Объединённых Арабских Эмиратах, где побережье в конечном счёте не представляет большого интереса и находится рядом с огромной, очень плоской пустыней, также лишённой ценности. Эти установки, создающие «биопустыни», не противоречили бы нынешним мечтам эмиров о роскошном туризме. Но, конечно, это совсем другое.

Вариант мог бы предусматривать подвижный коллектор, закреплённый на поворотных рычагах с червячными передачами. В этом случае зеркало было бы неподвижным. По моему мнению, такая конструкция легче выдерживала бы сильный ветер (приёмную трубу можно было бы убирать в защитный кожух). Её также легче чистить с помощью дворника-«балетки». Этот тип зеркала лучше подходил бы для глобальной стандартизации за счёт поставки отдельными элементами.

solaire Fresnel JPP

Солнечный коллектор с неподвижным зеркалом и подвижной фокусной приёмной трубой.

Оба варианта следует испытать. Бельгийцы уже успешно протестировали свою систему. Насколько мне известно, во Франции в этом направлении ничего не делается.

http://www.solarmundo-power.com

Лёгкий коллектор Френеля компании Solarmundo (SFC)

может сделать солнечную энергию дешевле нефти

Оценка потенциала нового коллектора Solarmundo для защиты климата

Кристоф Бальс (Germanwatch, bals@germanwatch.org) и

доктор наук Герхард Книс (Гамбургский фонд защиты климата, knies.gerhard@t-online.de)

Художественная иллюстрация установки Solarmondo в пустыне

После тщательного изучения нового лёгкого коллектора Френеля компании Solarmundo (SFC) оба автора пришли к следующему выводу: благодаря этому новому решению в странах с хорошей инсоляцией солнечная энергия уже через несколько лет может стать дешевле нефти без необходимости дополнительных технологических прорывов. Если SFC будет работать так, как предполагается, он откроет огромный потенциал для глобальной защиты климата и обеспечит мир чистой и неисчерпаемой электроэнергией. — Бонн и Гамбург, октябрь 2001 года.

Производительность электростанций на базе SFC
Чистая электроэнергия дешевле, чем от нефти:

На местах с хорошим солнечным излучением коллектор Solarmundo может производить пар дешевле, чем при использовании нефти, при ценах на нефть выше 20 долларов США за баррель. Это означает, что солнечная электростанция может производить электроэнергию с меньшими затратами, чем тепловая электростанция на нефти.

В сочетании с опреснением воды

Мощность охлаждения, как и на любой тепловой электростанции, может использоваться для опреснения морской или солоноватой воды. Солнечная электростанция мощностью 400 МВт может одновременно производить от 10 до 20 тысяч кубических метров воды в час. Эта технология хорошо отработана.

В сочетании с освоением земель под сельское хозяйство

Плоское зеркало SFC расположено примерно в 4 метрах над землёй. В тени под ним интенсивность света и испарение воды снижены. Света достаточно, например, для выращивания томатов.

Электростанция мощностью 400 МВт обеспечила бы тенью около 3 квадратных километров посевов. Вода для орошения может поступать из установки опреснения.

Детали этого применения, такие как урожайность с гектара и необходимое количество воды для орошения, должны быть оценены в рамках исследования технико-экономической обоснованности и изучены в пилотном проекте.

Перспективы будущего с интегрированным хранением солнечной энергии

Существует перспективная возможность относительно простого внедрения системы хранения тепла и подачи электроэнергии по требованию 24 часа в сутки. Это придаёт солнечной электроэнергии большой потенциал для энергоснабжения солнечных стран и для экспорта в промышленно развитые страны Севера.

Таким образом, технология SFC предлагает интересные возможности для дешёвого производства чистой электроэнергии в солнечных странах как для внутреннего потребления, так и для экспорта, а также для предотвращения угроз местной окружающей среде, таких как грязное сжигание угля или вырубка леса на дрова. Поскольку значительная часть строительных работ, а также обслуживания и эксплуатации может выполняться местной рабочей силой, это может создать промышленные рабочие места в развивающихся странах.

Компьютерная анимация: 4 ряда коллекторов SFC с линией подачи пара на электростанцию.

Потенциал SFC для глобальной защиты климата

Технология SFC значительно расширила бы наши возможности по производству солнечной электроэнергии. Как только эта технология будет проверена с помощью полного программного обеспечения для эксплуатации — вероятно, в течение 1–2 лет — она могла бы способствовать обеспечению чистой электроэнергией огромных будущих потребностей развивающихся солнечных стран, включая Индию и Китай. Здесь требуются новые мощности в сотни гигаватт.

В сочетании с относительно низкой стоимостью дальней передачи энергии по линиям высокого напряжения постоянного тока (HVDC) около 95% населения мира проживает в пределах досягаемости от пустынных районов, подходящих для дешёвого производства тепловой солнечной электроэнергии и имеющих достаточно места для полей коллекторов. Например, для производства 500 ТВт·ч электроэнергии в год, что соответствует 20% годового потребления электроэнергии ЕС, требуется поле коллекторов размером примерно 45 x 45 км и сахарианская инсоляция. Марокко обеспечивает оба условия: хорошую инсоляцию и лёгкое подключение к европейской сети.

Поскольку хранение тепла позволило бы производить электроэнергию по требованию днём и ночью, с этим будущим применением технология SFC могла бы существенно способствовать быстрому глобальному переходу к чистой электроэнергии, который настоятельно необходим.

Уже при существующем методе строительства эта солнечная электроэнергия может быть конкурентоспособной по сравнению с электростанциями на нефти. Дальнейшие концептуальные улучшения и снижение затрат следует ожидать по мере расширения производственных мощностей.

Ввиду исключительного потенциала технологии SFC для глобальной защиты климата существует значительный общественный интерес к максимальному ускорению её разработки. Поэтому мы рекомендуем оказать соответствующую поддержку для быстрой проверки потенциала этой технологии. В случае успешных испытаний откроется путь для глобального выхода на рынок.

Полный потенциал для глобальной защиты климата может быть реализован благодаря неограниченному сотрудничеству Севера и Юга.

SFC — технические устройства

Солнечный свет можно концентрировать с помощью параболического зеркала для получения пара для электростанции. Французский физик О. Ж. Френель (1788–1827) изобрёл простую систему, заменяющую изогнутые зеркала набором плоских зеркальных полос.

С помощью этой системы компания Solarmundo NV (Бельгия) превратила громоздкую чашу параболического зеркала в простую плоскую поверхность, состоящую из удлинённых зеркальных полос. Ряд из 48 таких полос, каждая шириной 50 сантиметров и длиной до примерно 1000 метров, отражает солнечный свет на приёмную трубу длиной 1000 метров, установленную на высоте 15 метров над рядом. Зеркальные полосы могут наклоняться вокруг своих продольных осей для слежения за солнцем. В ясную погоду концентрированный солнечный свет может нагревать приёмную трубу до температуры выше 500 градусов Цельсия. Этого достаточно для производства пара для обычной турбины, соединённой с генератором мощностью 4,8 мегаватта. Большое количество таких коллекторных элементов можно комбинировать для увеличения мощности — до нескольких сотен мегаватт.

Здесь мы кратко излагаем улучшения, которые конструкция SFC предлагает по сравнению с линейными параболическими коллекторами первого поколения, которые уже 10 лет надёжно работают в пустыне Мохаве в Калифорнии.

Различия в конструкции:

Большое параболическое зеркало типичной шириной 6 метров, установленное на сложной подвижной опорной конструкции для слежения за солнцем, заменено неподвижным горизонтальным рядом небольших поворотных плоских зеркальных полос и небольшим вторичным концентратором за приёмной трубой.
Фокус подвижной параболы, следующей за движением солнца, заменён неподвижной фокальной линией, на которую каждый элемент зеркала и вторичный концентратор отражают солнечный свет. Приёмная труба теперь находится в неподвижном положении.
Опорная конструкция для осей зеркал и приёмной трубы является неподвижной.

Благодаря новому покрытию поверхности приёмной трубы дорогая вакуумная изоляция длинной трубы может быть заменена простой защитой от теплопотерь и излучения в обычной атмосфере.

Пар производится непосредственно в приёмной трубе, а не после теплопередачи в паровой котёл с помощью специальной жидкости и теплообменников.

Различия в эффективности сбора света и производительности в течение дня

Сравнительная эффективность систем на основе параболических зеркал и коллекторов Френеля (на широте Каира). Видно, что они довольно близки.

Покрытие поля коллектора зеркальными элементами различается в двух устройствах.

В устройстве Solarmundo поле коллектора почти полностью покрыто зеркалами. Это приводит к некоторому взаимному затенению в экстремальные часы дня, рано утром и поздно вечером. В параболических устройствах ряды парабол, ориентированные с севера на юг, разделены двумя пустыми рядами, чтобы избежать затенения утром и днём, что обеспечивает более низкий, но более постоянный в течение дня выход энергии, используя только 1/3 поля коллектора.

С точки зрения используемой площади зеркала, сбор излучения лучше у коллекторов Solarmundo Френеля, а с точки зрения сектора зеркала сбор излучения лучше у параболических зеркал.

Снижение затрат достигается главным образом за счёт:
Множества небольших плоских зеркал, простых в изготовлении, вместо одного большого специально спроектированного (параболического) зеркала.
Поворачиваются только небольшие зеркала для слежения за солнцем. Их опорные оси, каркасы и приёмная труба остаются неподвижными.
Вся опорная конструкция может легко изготавливаться из стандартных деталей.
Постоянное горизонтальное положение ряда зеркал значительно снижает ветровую нагрузку.
Удалось избежать вакуумной изоляции вокруг приёмной трубы.
Прямое производство пара в приёмной трубе.
Дешёвая местная рабочая сила может широко использоваться для сборки компонентов.
Упрощённая эксплуатация и обслуживание поля коллекторов.
Стадия разработки

До сих пор зеркальные полосы Френеля, вторичный концентратор и приёмная труба были изготовлены, испытаны в лаборатории и собраны в пилотной установке в Бельгии шириной 24 метра, но длиной всего 100 метров вместо предусмотренных 1000 метров для стандартного модуля мощностью 4,8 МВт.

Механические функции коллектора были проверены на этой пилотной установке. Кроме того, пар был получен при температуре 270 градусов Цельсия, что соответствует ожиданиям для пилотной установки, при этом максимальная температура ограничивалась предварительным селективным покрытием на приёмной трубе. Новое селективное покрытие, специально предназначенное для высоких температур, было успешно испытано в лаборатории при 500 градусах Цельсия. Начато производство труб с этим покрытием. Долгосрочная стабильность свойств высокого поглощения и низкого излучения этого покрытия, а также контроль процесса производства пара должны быть проверены при рабочих температурах 400 градусов Цельсия с коллектором реального размера и при полной инсоляции.

Дополнительные устройства для хранения тепла и сельскохозяйственного производства пока существуют только «на бумаге».

Следующие этапы
Следующим этапом является демонстрация работы коллектора в реальных солнечных условиях в течение разумного периода, например, нескольких месяцев. Для этого следует построить и эксплуатировать демонстрационную электростанцию, состоящую как минимум из одного полного ряда коллекторов мощностью около 5 МВт, для производства солнечного пара.

Это требует инвестиций в размере 8–10 миллионов евро и выбора места с высокой инсоляцией и низкой стоимостью рабочей силы. Правительство Марокко предложило предоставить подходящую площадку. В Южной Европе, где инсоляция ниже, а стоимость рабочей силы выше, это было бы примерно на 50% дороже.

Желательно, чтобы строительные работы начались в начале 2002 года (!...).

Параллельно со строительными работами следует провести исследования технико-экономической обоснованности технических потенциалов и рыночные исследования сельскохозяйственного варианта для полей коллекторов Solarmundo, а также создать демонстрационный образец.
Следует изучить техническую возможность хранения энергии днём и ночью, а также значение производства электроэнергии по требованию для внутреннего снабжения и крупномасштабного экспорта электроэнергии.
Основываясь на опыте строительства и эксплуатации демонстрационной электростанции, следует начать планирование и строительство коммерческих электростанций мощностью от 50 до нескольких сотен МВт.