타워열 태양광 발전소, 태양광 집광 시스템

태양은 극도로 "깨끗한" 에너지의 원천입니다. 오늘날 전 세계적으로 태양 사용에 대한 작업이 여러 방향으로 발전하고 있습니다. 우선, 건물 난방 및 열 공급을 주로 포함하는 소위 소규모 전력 산업이 발전하고 있습니다. 그러나 대규모 에너지 분야에서 이미 심각한 조치가 취해졌습니다. 광 변환 및 열 변환을 기반으로 태양열 발전소가 만들어지고 있습니다. 이 기사에서는 두 번째 방향에서 역의 전망에 대해 설명합니다.

전 세계적으로 CSP(Concentrated Solar Power)로 알려진 집광형 태양광 기술은 거울이나 렌즈를 사용하여 많은 양의 햇빛을 좁은 지역에 집중시키는 일종의 태양광 발전소입니다.

CSP는 CPV(concentrated photovoltaics)라고도 하는 집광형 광전지와 혼동해서는 안 됩니다. CSP에서 집중된 햇빛은 열로 변환되고 열은 전기로 변환됩니다.반면에 CPV에서는 집중된 햇빛이 다음을 통해 직접 전기로 변환됩니다. 광전 효과.

태양광 집광기의 산업용

태양 에너지

태양은 지구 방향으로 강력한 복사 에너지 흐름을 보냅니다. 그 중 2/3가 대기에 의해 반사되고 산란된다는 점을 고려하더라도 지구 표면은 여전히 ​​12개월 동안 1018kWh의 에너지를 받습니다.

이 무한한 에너지원을 실용적인 목적으로 사용하는 것이 항상 매우 유혹적으로 보였던 것은 당연합니다. 그러나 시간이 흐르고 에너지를 찾는 인간은 열기관을 만들고 강을 막고 원자를 쪼개고 태양은 날개에서 계속 기다렸습니다.

그의 에너지를 통제하는 것이 왜 그렇게 어려운가요? 첫째, 낮 동안 일사량의 강도가 변하여 소비에 매우 불편합니다. 이는 태양열 스테이션에 배터리가 설치되어 있거나 다른 소스와 함께 작동해야 함을 의미합니다. 그러나 이것은 여전히 ​​가장 큰 단점이 아닙니다. 훨씬 더 나쁜 것은 지구 표면의 태양 복사 밀도가 매우 낮다는 것입니다.

따라서 러시아 남부 지역에서는 900 — 1000 W / m2... 이것은 가장 단순한 수집기의 물을 80 — 90 ° C 이하의 온도로 가열하는 데만 충분합니다.

온수 공급과 부분적으로 난방에 적합하지만 어떤 경우에도 발전에는 적합하지 않습니다. 여기에는 훨씬 더 높은 온도가 필요합니다. 자속 밀도를 높이려면 넓은 면적에서 모아 산란에서 집중으로 변환해야 합니다.

태양열 집광 시스템을 통한 에너지 생산

태양 에너지를 집중시키는 방법은 고대부터 알려져 왔습니다.위대한 아르키메데스가 오목한 광택 구리 거울의 도움으로 기원전 3세기에 그것을 포위하고 있던 로마 함대를 어떻게 불태웠는지에 대한 전설이 보존되어 있습니다. NS. 시러큐스. 그리고이 전설이 역사적 문서에 의해 확인되지는 않았지만 포물선 거울의 초점에서 어떤 물질을 3500-4000 ° C의 온도로 가열 할 가능성은 분명한 사실입니다.

유용한 에너지를 생성하기 위해 포물면 거울을 사용하려는 시도는 19세기 후반에 시작되었습니다. 특히 집중적 인 작업은 미국, 영국 및 프랑스에서 수행되었습니다.

미국 로스앤젤레스에서 태양열 에너지를 사용하기 위한 실험용 포물면 거울(1901년경).

1866년 오귀스탱 무쇼(Augustin Mouchaud)는 포물선 실린더를 사용하여 최초의 태양열 증기 엔진에서 증기를 생성했습니다.

A. Mouchaud의 태양열 발전소는 1882년 파리에서 열린 세계 산업 박람회에서 시연되었으며 동시대 사람들에게 큰 인상을 남겼습니다.

태양열 집열기에 대한 최초의 특허는 1886년 이탈리아 제노아(이탈리아)의 Alessandro Battaglia에 의해 획득되었습니다. 다음 해에 John Erickson 및 Frank Schumann과 같은 발명가는 관개, 냉각 및 이동을 위해 태양 에너지를 집중시키는 장치를 개발했습니다.

태양열 엔진, 1882년

카이로에 있는 프랭크 슈만의 태양광 발전소

1912년에는 관개 시스템에 사용된 총 면적 1200m22의 포물선형-원통형 집중 장치가 있는 45kW 용량의 최초의 태양열 발전소가 카이로 근처에 건설되었습니다. 튜브는 각 거울의 초점에 놓였습니다. 태양 광선은 표면에 집중되었습니다.파이프의 물은 증기로 바뀌고 일반 수집기에 수집되어 증기 엔진에 공급됩니다.

일반적으로 이 시기는 거울의 환상적인 초점 능력에 대한 믿음이 많은 사람들의 마음을 사로잡았던 시기였다는 점에 유의해야 합니다. A. Tolstoy의 소설 "The Hyperboloid of Engineer Garin"은 이러한 희망에 대한 일종의 증거가되었습니다.

실제로 많은 산업 분야에서 이러한 미러가 널리 사용됩니다. 이 원칙에 따라 많은 국가에서 고순도 내화물을 녹이는 용광로를 건설했습니다. 예를 들어, 프랑스는 1MW 용량의 세계에서 가장 큰 오븐을 보유하고 있습니다.

그리고 전기 에너지 생성 설비는 어떻습니까? 여기에서 과학자들은 많은 어려움에 직면했습니다. 우선, 복잡한 거울 표면을 가진 포커싱 시스템의 비용이 매우 높은 것으로 나타났습니다. 또한 거울의 크기가 커질수록 비용은 기하급수적으로 증가합니다.

또한 기술적으로 어려운 500-600m2 면적의 거울을 만들고 50kW 이하의 전력을 얻을 수 있습니다. 이러한 조건에서 태양광 수신기의 단위 전력이 크게 제한된다는 것은 분명합니다.

곡면 거울 시스템에 대한 또 하나의 중요한 고려 사항입니다. 원칙적으로 상당히 큰 시스템은 개별 모듈에서 조립할 수 있습니다.

이 유형의 현재 설치에 대해서는 여기를 참조하십시오. 태양열 집광기 사용의 예

캘리포니아 Harper Lake 근처의 Lockhart Concentrated Solar Power Plant에서 사용되는 Parabolic trough(Mojave Solar Project)

유사한 발전소가 많은 국가에 건설되었습니다. 그러나 그들의 작업에는 에너지 수집의 어려움이라는 심각한 단점이 있습니다.결국 각 거울에는 초점에 자체 증기 발생기가 있으며 모두 넓은 영역에 퍼져 있습니다. 이것은 증기가 많은 태양열 수신기에서 수집되어야 함을 의미하며 스테이션의 비용을 크게 복잡하게 하고 증가시킵니다.

솔라타워

전쟁 이전에도 엔지니어 N. V. Linitsky는 높은 타워(타워형 태양광 발전소)에 중앙 태양광 수신기가 있는 열 태양광 발전소에 대한 아이디어를 제시했습니다.

1940년대 후반, ENIN(State Research Institute of Energy)의 과학자들은 V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum 및 B. A. Garf는 그러한 스테이션을 만들기 위한 과학적 개념을 개발했습니다. 그들은 복잡하고 값 비싼 곡면 거울을 버리고 가장 단순한 평면 헬리오스탯으로 교체 할 것을 제안했습니다.

타워에서 태양열 발전소를 작동시키는 원리는 매우 간단합니다. 태양 광선은 여러 헬리오스탯에 의해 반사되어 중앙 수신기(탑에 설치된 태양열 증기 발생기)의 표면으로 향합니다.

하늘에서 태양의 위치에 따라 헬리오스탯의 방향도 자동으로 변경됩니다. 그 결과 하루 종일 수백 개의 거울에 반사된 집중된 햇빛이 증기 발생기를 가열합니다.

포물선형 집중 장치를 사용하는 SPP 설계, 디스크 집중 장치가 있는 SPP 및 타워에서 SPP의 차이점

이 솔루션은 원래의 것만큼 간단하다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 가장 중요한 것은 원칙적으로 수십만 kW의 단위 전력을 가진 대형 태양 광 발전소를 만드는 것이 가능해 졌다는 것입니다.

그 이후로 타워형 태양열 발전소 개념은 전 세계적으로 인정을 받았습니다. 1970년대 후반에만 0.25~10MW 용량의 발전소가 미국, 프랑스, ​​스페인, 이탈리아, 일본에 건설되었습니다.

프랑스 피레네 오리엔탈 산맥의 SES 테미스 태양광 타워

이 소비에트 프로젝트에 따르면 1985년 Shtelkino시 근처의 크리미아에서 5MW(SES-5) 용량의 실험용 타워형 태양광 발전소가 건설되었습니다.

SES-5에서는 개방형 원형 태양열 증기 발생기가 사용되며 그 표면은 모든 바람에 개방되어 있습니다. 따라서 주변 온도가 낮고 풍속이 높으면 대류 손실이 급격히 증가하고 효율이 크게 떨어집니다.

공동 유형 수신기는 이제 훨씬 더 효율적인 것으로 여겨집니다. 여기에서 증기 발생기의 모든 표면이 닫히므로 대류 및 복사 손실이 급격히 감소합니다.

낮은 증기 매개변수(250°C 및 4MPa)로 인해 SES-5의 열 효율은 0.32에 불과합니다.

1995년에 10년 동안 운영한 후 크리미아의 SES-5는 폐쇄되었고 2005년에 탑은 스크랩을 위해 넘겨졌습니다.

폴리테크닉 박물관의 모델 SES-5

현재 운영 중인 타워형 태양열 발전소는 용융염(질산칼륨 40%, 질산나트륨 60%)을 작동 유체로 사용하는 새로운 설계 및 시스템을 사용합니다. 이 작동 유체는 첫 번째 실험 설비에 사용된 해수보다 열용량이 더 큽니다.

현대 태양열 발전소의 기술 다이어그램

현대 타워형 태양광 발전소

물론 태양광 발전소는 새롭고 복잡한 사업이고 당연히 적수가 충분하다. 그들이 표현하는 많은 의심에는 상당히 타당한 이유가 있지만 다른 사람의 의견에 거의 동의할 수 없습니다.

예를 들어 탑형 태양광 발전소를 짓기 위해서는 넓은 땅이 필요하다는 말을 자주 한다. 그러나 전통적인 발전소 운영을 위해 연료를 생산하는 지역을 제외할 수는 없습니다.

타워형 태양광 발전소를 선호하는 또 다른 설득력 있는 사례가 있습니다. 수력발전소 인공저수지로 침수된 토지의 비면적은 169헥타르/MW로 이러한 태양광발전소 지표보다 몇 배나 높다. 또한 수력 발전소를 건설하는 동안 매우 귀중한 비옥 한 땅이 침수되는 경우가 많으며 농업이나 산업 시설 건설에 적합하지 않은 사막 지역에 타워형 SPP를 건설해야합니다.

타워 SPP에 대한 비판의 또 다른 이유는 높은 재료 소비입니다. SES가 예상 운영 기간 동안 장비 생산 및 건설에 사용되는 자재 획득에 소비된 에너지를 반환할 수 있을지 의심스럽습니다.

실제로 이러한 설비는 재료 집약적이지만 현대식 태양열 발전소를 건설하는 데 사용되는 거의 모든 재료의 공급이 부족하지 않아야 합니다.최초의 현대식 탑형 태양열 발전소가 시작된 후 수행된 경제적 계산은 높은 효율성과 매우 유리한 투자 회수 기간을 보여주었습니다(경제적으로 성공적인 프로젝트의 예는 아래 참조).

탑이 있는 태양열 발전소의 효율성을 높이기 위한 또 다른 비축은 태양광 발전소가 전통적인 연료의 기존 화력 발전소와 함께 작동하는 하이브리드 발전소를 만드는 것입니다. 공장은 흐린 날씨와 최대 부하에서 전력을 줄이고 "가속화"합니다.

현대 태양광 발전소의 예

2008년 6월 Bright Source Energy는 이스라엘의 네게브 사막에 태양 에너지 개발 센터를 열었습니다.

위치한 사이트에서 Rotema 산업 단지에서, 1,600개 이상의 헬리오스탯이 설치되어 태양을 따라가며 빛을 60미터 높이의 태양열 타워에 반사합니다. 농축된 에너지는 탑 꼭대기에 있는 보일러를 550°C로 가열하는 데 사용되며, 증기를 생성하여 터빈으로 보내 전기를 생성합니다. 발전소 용량 5MW.

2019년에 같은 회사가 네게브 사막에 새로운 발전소를 건설했습니다.아샬림… Toya 3개의 서로 다른 기술이 적용된 3개의 섹션으로 구성된 이 발전소는 태양열 에너지, 태양광 에너지 및 천연 가스(하이브리드 발전소)의 세 가지 유형의 에너지를 결합합니다. 태양열 타워의 설치 용량은 121MW입니다.

이 발전소에는 120,000가구에 전력을 공급할 수 있는 50,600개의 컴퓨터 제어 헬리오스탯이 포함되어 있습니다. 탑의 높이는 260m입니다.그것은 세계에서 가장 높았지만 최근 Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park의 262.44m 높이의 태양열 탑에 의해 능가되었습니다.

이스라엘 네게브 사막의 발전소

2009년 여름, 미국 회사 eSolar는 태양광 타워를 건설했습니다. 시에라 솔라 타워 로스앤젤레스에서 북쪽으로 약 80km 떨어진 캘리포니아주 랭커스터에 위치한 5MW 발전소의 경우 이 발전소는 북위 35°의 모하비 사막 서쪽 건조한 계곡에 약 8헥타르의 면적을 차지합니다.

시에라 솔라 타워

2009년 9월 9일 현재 기존 발전소 사례를 기준으로 탑형 태양광 발전소(CSP) 건설 비용은 와트당 2.5~4달러 수준인 반면 연료(태양광 복사)는 무료인 것으로 추정됐다. . 따라서 250MW 용량의 발전소를 건설하는 데 드는 비용은 미화 6억~10억 달러입니다. 이것은 0.12~0.18달러/kWh를 의미합니다.

또한 새로운 CSP 플랜트는 화석 연료와 경제적으로 경쟁할 수 있음이 밝혀졌습니다.

Bloomberg New Energy Finance의 애널리스트인 Nathaniel Bullard는 2014년에 시작된 Iwanpa 태양광 발전소에서 생산되는 전기 비용이 태양광 발전소, 천연 가스 발전소의 전기와 거의 동일합니다.

현재 가장 유명한 태양광 발전소는 발전소입니다. 제마솔라 안달루시아(스페인)의 Esia 시 서쪽에 위치한 19.9MW 용량. 발전소는 2011년 10월 4일 스페인의 후안 카를로스 국왕에 의해 개통되었습니다.

젬솔라 발전소

유럽 ​​위원회로부터 500만 유로의 보조금을 받은 이 프로젝트는 미국 회사인 Solar Two에서 테스트한 기술을 사용합니다.

• 총 면적이 298,000m2인 2,493개의 헬리오스탯은 반사율이 더 우수한 유리를 사용하며 단순화된 디자인으로 생산 비용을 45% 절감합니다.

• 8,500톤의 용융 염(질산염) 용량을 갖춘 더 큰 열 에너지 저장 시스템은 햇빛이 없을 때 15시간(약 250MWh)의 자율성을 제공합니다.

• 섬프가 필요 없이 저장 탱크에서 염을 직접 펌핑할 수 있도록 펌프 설계가 개선되었습니다.

• 증기의 강제 재순환을 포함한 증기 생성 시스템.

• 더 높은 압력과 더 높은 효율을 가진 증기 터빈.

• 간소화된 용융염 순환 회로로 필요한 밸브 수를 절반으로 줄입니다.

발전소(타워 및 헬리오스탯)는 총 면적이 190헥타르에 이릅니다.

SPP 제마솔라 솔라 타워

아벤고아가 구축한 안녕 써니원 남아프리카 공화국 — 높이 205m, 용량 50MW의 발전소. 개관식은 2013년 8월 27일에 열렸습니다.

안녕 써니원

Ivanpah 태양열 발전 시스템 — 라스베이거스에서 남서쪽으로 40마일 떨어진 캘리포니아 모하비 사막에 있는 392메가와트(MW) 태양광 발전소. 발전소는 2014년 2월 13일에 시운전되었습니다.

Ivanpah 태양열 발전 시스템

이 SPP의 연간 생산량은 140,000 가구의 소비를 포함합니다. 3개의 중앙 태양열 탑에 위치한 증기 발생기에 태양 에너지를 집중시키는 173,500개의 헬리오스탯 거울을 설치했습니다.

2013년 3월 Bright Source Energy와 발전소 건설 계약 체결 탄 2개의 230m 타워(각각 250MW)로 구성되어 있으며 2021년 시운전 예정입니다.

운영 중인 기타 태양열 발전소: Solar Park(두바이, 2013), Nur III(모로코, 2014), Crescent Dunes(미국 네바다, 2016), SUPCON Delingha 및 Shouhang Dunhuang(Kathai, 둘 다 2018.), Gonghe, Luneng Haixi Hami(중국, 2019년 모두), Cerro Dominador(칠레, 2021년 4월).

태양 에너지를 위한 혁신적인 솔루션

이 기술은 일사량(일사량)이 높은 지역에서 가장 잘 작동하기 때문에 전문가들은 탑형 태양광 발전소의 수가 가장 많이 증가할 지역은 아프리카, 멕시코, 미국 남서부 지역일 것이라고 예측합니다.

또한 집중된 태양 에너지는 심각한 전망을 가지고 있으며 2050년까지 세계 에너지 수요의 최대 25%를 제공할 수 있다고 믿어집니다. 현재 이러한 유형의 발전소에 대한 50개 이상의 새로운 프로젝트가 세계에서 개발되고 있습니다.