محطات الطاقة الشمسية الحرارية البرجية وأنظمة تركيز الطاقة الشمسية

الشمس هي مصدر للطاقة "النظيفة" للغاية. اليوم ، في جميع أنحاء العالم ، يتطور العمل على استخدام الشمس في اتجاهات عديدة. بادئ ذي بدء ، فإن ما يسمى بصناعة الطاقة الصغيرة تتطور ، والتي تشمل أساسًا تدفئة المباني وإمدادات الحرارة. ولكن تم بالفعل اتخاذ خطوات جادة في مجال الطاقة واسعة النطاق - يتم إنشاء محطات الطاقة الشمسية على أساس التحويل الضوئي والتحويل الحراري. في هذا المقال سنخبرك بآفاق المحطات من الاتجاه الثاني.

تقنية الطاقة الشمسية المركزة ، المعروفة عالميًا باسم CSP (الطاقة الشمسية المركزة) ، هي نوع من محطات الطاقة الشمسية التي تستخدم المرايا أو العدسات لتركيز كميات كبيرة من ضوء الشمس في منطقة صغيرة.

لا ينبغي الخلط بين CSP والخلايا الكهروضوئية المركزة - المعروفة أيضًا باسم CPV (الخلايا الكهروضوئية المركزة). في CSP ، يتم تحويل ضوء الشمس المركز إلى حرارة ، ثم يتم تحويل الحرارة إلى كهرباء.من ناحية أخرى ، في الأنظمة الفولت ضوئية المركزة ، يتم تحويل ضوء الشمس المركز مباشرة إلى كهرباء عبر التأثير الكهروضوئي.

الاستخدام الصناعي لمكثفات الطاقة الشمسية

طاقة شمسية

ترسل الشمس تيارًا قويًا من الطاقة المشعة في اتجاه الأرض. حتى لو أخذنا في الاعتبار أن ثلثيها ينعكس ويتناثرها الغلاف الجوي ، فلا يزال سطح الأرض يتلقى 1018 كيلو واط ساعة من الطاقة في 12 شهرًا ، وهو ما يزيد 20000 مرة عن استهلاك العالم في السنة.

من الطبيعي أن استخدام هذا المصدر الذي لا ينضب من الطاقة لأغراض عملية كان يبدو دائمًا مغريًا للغاية. ومع ذلك ، مع مرور الوقت ، خلق الإنسان الذي يبحث عن الطاقة محركًا حراريًا ، وسد الأنهار ، وشق ذرة ، وواصلت الشمس الانتظار في الأجنحة.

لماذا يصعب التحكم في طاقته؟ أولاً ، تتغير شدة الإشعاع الشمسي خلال النهار ، وهو أمر غير مريح للغاية للاستهلاك. هذا يعني أنه يجب تركيب بطارية في المحطة الشمسية أو العمل مع مصادر أخرى. لكن هذا لا يزال ليس أكبر عيب. والأسوأ من ذلك أن كثافة الإشعاع الشمسي على سطح الأرض منخفضة جدًا.

لذلك في المناطق الجنوبية لروسيا ، يتراوح ما بين 900-1000 واط / م 2 فقط ... وهذا يكفي فقط لتسخين المياه في أبسط المجمعات إلى درجات حرارة لا تزيد عن 80-90 درجة مئوية.

إنه مناسب لإمداد الماء الساخن وجزئيًا للتدفئة ، ولكن ليس بأي حال من الأحوال لتوليد الكهرباء. هناك حاجة إلى درجات حرارة أعلى بكثير هنا. لزيادة كثافة التدفق ، من الضروري جمعها من مساحة كبيرة وتحويلها من مبعثرة إلى مركزة.

إنتاج الطاقة بأنظمة تركيز الطاقة الشمسية

طرق تركيز الطاقة الشمسية معروفة منذ العصور القديمة.تم الحفاظ على أسطورة حول كيفية قيام أرخميدس العظيم ، بمساعدة المرايا النحاسية المقعرة ، بحرق الأسطول الروماني الذي كان يحاصره في القرن الثالث قبل الميلاد. NS. سيراكيوز. وعلى الرغم من عدم تأكيد هذه الأسطورة من خلال الوثائق التاريخية ، فإن إمكانية تسخين أي مادة في بؤرة مرآة مكافئة لدرجات حرارة تتراوح بين 3500 و 4000 درجة مئوية هي حقيقة لا جدال فيها.

بدأت محاولات استخدام المرايا المكافئة لتوليد طاقة مفيدة في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. تم تنفيذ عمل مكثف بشكل خاص في الولايات المتحدة الأمريكية وإنجلترا وفرنسا.

مرآة تجريبية على شكل قطع مكافئ لاستخدام الطاقة الحرارية الشمسية في لوس أنجلوس ، الولايات المتحدة الأمريكية (حوالي عام 1901).

في عام 1866 ، استخدم أوجستين مشود أسطوانة مكافئة لتوليد البخار في أول محرك بخاري يعمل بالطاقة الشمسية.

لقد تركت محطة الطاقة الشمسية لأ.

حصل الإيطالي أليساندرو باتاغليا (Alessandro Battaglia) في جنوة (إيطاليا) على أول براءة اختراع لجهاز تجميع الطاقة الشمسية في عام 1886. في السنوات التالية ، طور المخترعون مثل جون إريكسون وفرانك شومان أجهزة تعمل عن طريق تركيز الطاقة الشمسية للري والتبريد والحركة.

المحرك الشمسي ، 1882

محطة فرانك شومان للطاقة الشمسية في القاهرة

في عام 1912 ، تم بناء أول محطة للطاقة الشمسية بقدرة 45 كيلو وات بالقرب من القاهرة بمكثفات أسطوانية مكافئة بمساحة إجمالية قدرها 1200 متر مربع والتي تم استخدامها في نظام الري. تم وضع الأنابيب في بؤرة كل مرآة. كانت أشعة الشمس مركزة على سطحها.يتحول الماء الموجود في الأنابيب إلى بخار ، يتم تجميعه في مجمّع مشترك وتغذيته في المحرك البخاري.

بشكل عام ، تجدر الإشارة إلى أن هذه كانت فترة سيطر فيها الإيمان بقوة التركيز الرائعة للمرايا على العديد من العقول. أصبحت رواية إيه. تولستوي "Hyperboloid للمهندس جارين" نوعًا من الإثبات على هذه الآمال.

في الواقع ، في عدد من الصناعات ، يتم استخدام هذه المرايا على نطاق واسع. بناءً على هذا المبدأ ، قامت العديد من البلدان ببناء أفران لصهر المواد المقاومة للحرارة عالية النقاء. على سبيل المثال ، تمتلك فرنسا أكبر فرن في العالم بسعة 1 ميجاوات.

وماذا عن منشآت توليد الطاقة الكهربائية؟ واجه العلماء هنا عددًا من الصعوبات. بادئ ذي بدء ، تبين أن تكلفة أنظمة التركيز ذات الأسطح المرآة المعقدة مرتفعة للغاية. أيضًا ، مع زيادة حجم المرايا ، تزداد التكلفة بشكل كبير.

أيضًا ، قم بإنشاء مرآة بمساحة 500-600 متر مربع صعبة تقنيًا ، ولا يمكنك الحصول على أكثر من 50 كيلو واط من الطاقة منها. من الواضح أنه في ظل هذه الظروف ، تكون طاقة وحدة جهاز استقبال الطاقة الشمسية محدودة بشكل كبير.

وهناك اعتبار آخر أكثر أهمية حول أنظمة المرآة المنحنية. من حيث المبدأ ، يمكن تجميع أنظمة كبيرة جدًا من وحدات فردية.

للتركيبات الحالية من هذا النوع ، انظر هنا: أمثلة على استخدام المكثفات الشمسية

حوض مكافئ يستخدم في محطة لوكهارت للطاقة الشمسية المركزة بالقرب من بحيرة هاربر ، كاليفورنيا (مشروع Mojave للطاقة الشمسية)

تم بناء محطات طاقة مماثلة في العديد من البلدان. ومع ذلك ، هناك عيب خطير في عملهم - صعوبة جمع الطاقة.بعد كل شيء ، تحتوي كل مرآة على مولد بخار خاص بها عند التركيز ، وكلها منتشرة على مساحة كبيرة. هذا يعني أنه يجب جمع البخار من العديد من أجهزة استقبال الطاقة الشمسية ، مما يعقد بشكل كبير ويزيد من تكلفة المحطة.

برج الطاقة الشمسية

حتى في سنوات ما قبل الحرب ، طرح المهندس N. V.

في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي ، سمي علماء من معهد أبحاث الدولة للطاقة (ENIN) على اسم ف. طور G.M Krzhizhanovsky و R. R. Aparisi و V. A. Baum و B. A. Garf مفهومًا علميًا لإنشاء مثل هذه المحطة. اقترحوا التخلي عن المرايا المنحنية المعقدة باهظة الثمن ، واستبدالها بأبسط طائرات الهليوستات المسطحة.

مبدأ تشغيل محطات الطاقة الشمسية من البرج بسيط للغاية. تنعكس أشعة الشمس بواسطة عدة مراوح شمسية وتوجه إلى سطح جهاز استقبال مركزي - مولد بخار شمسي يوضع على البرج.

وفقًا لموقع الشمس في السماء ، يتغير أيضًا اتجاه الهليوستات تلقائيًا. نتيجة لذلك ، طوال اليوم ، يعمل تيار مركز من ضوء الشمس ، تنعكس بواسطة مئات المرايا ، على تسخين مولد البخار.

الفرق بين تصميمات SPP باستخدام المكثفات المكافئة ، و SPP مع مركزات القرص ، و SPP من البرج

اتضح أن هذا الحل بسيط بقدر ما كان أصليًا. لكن الشيء الأكثر أهمية هو أنه ، من حيث المبدأ ، أصبح من الممكن إنشاء محطات طاقة شمسية كبيرة بوحدة طاقة تبلغ مئات الآلاف من كيلووات.

منذ ذلك الحين ، اكتسب مفهوم محطة الطاقة الحرارية الشمسية من نوع البرج اعترافًا عالميًا. فقط في أواخر السبعينيات ، تم بناء هذه المحطات بقدرة 0.25 إلى 10 ميجاوات في الولايات المتحدة الأمريكية وفرنسا وإسبانيا وإيطاليا واليابان.

برج SES Themis الشمسي في جبال البرانس أورينتاليس في فرنسا

وفقًا لهذا المشروع السوفيتي ، في عام 1985 في شبه جزيرة القرم ، بالقرب من مدينة Shtelkino ، تم بناء محطة طاقة شمسية تجريبية من نوع البرج بسعة 5 ميجاوات (SES-5).

في SES-5 ، يتم استخدام مولد بخار شمسي دائري مفتوح ، أسطحه ، كما يقولون ، مفتوحة لجميع الرياح. لذلك ، في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة وسرعات الرياح العالية ، تزداد خسائر الحمل الحراري بشكل حاد وتنخفض الكفاءة بشكل كبير.

يُعتقد الآن أن أجهزة الاستقبال من النوع التجويفي أكثر كفاءة. هنا ، يتم إغلاق جميع أسطح مولد البخار ، مما يؤدي إلى تقليل خسائر الحمل الحراري والإشعاع بشكل حاد.

نظرًا لمعلمات البخار المنخفضة (250 درجة مئوية و 4 ميجا باسكال) ، فإن الكفاءة الحرارية لـ SES-5 هي 0.32 فقط.

بعد 10 سنوات من التشغيل في عام 1995 ، تم إغلاق SES-5 في شبه جزيرة القرم ، وفي عام 2005 تم تسليم البرج للخردة.

نموذج SES-5 في متحف البوليتكنيك

تستخدم محطات الطاقة الشمسية البرجية العاملة حاليًا تصميمات وأنظمة جديدة تستخدم الأملاح المنصهرة (40٪ نترات البوتاسيوم ، 60٪ نترات الصوديوم) كسوائل عمل. تتمتع سوائل العمل هذه بسعة حرارية أعلى من مياه البحر ، والتي تم استخدامها في التركيبات التجريبية الأولى.

رسم بياني تقني لمحطة طاقة حرارية شمسية حديثة

برج حديث للطاقة الشمسية

بالطبع ، محطات الطاقة الشمسية هي عمل جديد ومعقد ولديها بطبيعة الحال ما يكفي من المعارضين. العديد من الشكوك التي يعبرون عنها لها أسباب وجيهة تمامًا ، لكن لا يمكن للمرء أن يتفق مع الآخرين.

على سبيل المثال ، غالبًا ما يقال أن مساحات كبيرة من الأراضي مطلوبة لبناء محطات طاقة شمسية أبراجية. ومع ذلك ، لا يمكن استبعاد المناطق التي يتم فيها إنتاج الوقود لتشغيل محطات الطاقة التقليدية.

هناك حالة أخرى أكثر إقناعًا لصالح محطات الطاقة الشمسية البرجية. تبلغ المساحة المحددة للأرض التي تغمرها الخزانات الاصطناعية لمحطات الطاقة الكهرومائية 169 هكتارًا / ميجاوات ، وهي أعلى بعدة مرات من مؤشرات محطات الطاقة الشمسية هذه. علاوة على ذلك ، أثناء إنشاء محطات الطاقة الكهرومائية ، غالبًا ما يتم غمر الأراضي الخصبة القيمة للغاية ، ومن المفترض أن يتم بناء الأبراج SPPs في المناطق الصحراوية - على الأراضي غير المناسبة للزراعة ولا لبناء المنشآت الصناعية.

سبب آخر لانتقادات برج SPPs هو استهلاكهم المادي المرتفع. حتى أن هناك شكًا في ما إذا كانت SES ستكون قادرة على إعادة الطاقة التي يتم إنفاقها على إنتاج المعدات والحصول على المواد المستخدمة في بنائها خلال الفترة المقدرة للتشغيل.

في الواقع ، هذه التركيبات كثيفة المواد ، ولكن من الضروري أن لا يكون هناك نقص في المعروض من جميع المواد التي تُبنى منها محطات الطاقة الشمسية الحديثة.أظهرت الحسابات الاقتصادية التي تم إجراؤها بعد إطلاق أول محطات طاقة شمسية برجية حديثة كفاءتها العالية وفترات استرداد مواتية (انظر أدناه للحصول على أمثلة للمشاريع الناجحة اقتصاديًا).

احتياطي آخر لزيادة كفاءة محطات الطاقة الشمسية مع برج هو إنشاء محطات هجينة ، حيث ستعمل محطات الطاقة الشمسية مع محطات حرارية تقليدية للوقود التقليدي. في المحطة المدمجة ، في ساعات الإشعاع الشمسي المكثف ، الوقود يقلل المصنع من قوته و "يتسارع" في الطقس الغائم وفي ذروة الأحمال.

أمثلة على محطات الطاقة الشمسية الحديثة

في يونيو 2008 ، افتتحت شركة Bright Source Energy مركزًا لتطوير الطاقة الشمسية في صحراء النقب في إسرائيل.

يقع على الموقع في حديقة روتيما الصناعية، تم تركيب أكثر من 1600 وحدة هليوستات لتتبع الشمس وتعكس الضوء على برج شمسي يبلغ ارتفاعه 60 مترًا. ثم يتم استخدام الطاقة المركزة لتسخين المرجل الموجود أعلى البرج إلى 550 درجة مئوية ، لتوليد البخار الذي يتم إرساله إلى التوربينات حيث يتم توليد الكهرباء. قدرة المحطة 5 ميجاوات.

في عام 2019 قامت نفس الشركة ببناء محطة كهرباء جديدة في صحراء النقب -أشاليم... تويا تتكون المحطة من ثلاثة أقسام بثلاث تقنيات مختلفة ، وتجمع بين ثلاثة أنواع من الطاقة: الطاقة الحرارية الشمسية ، والطاقة الكهروضوئية والغاز الطبيعي (محطة توليد الطاقة الهجينة). القدرة المركبة للبرج الشمسي 121 ميجاوات.

تضم المحطة 50600 مروحية يتحكم فيها الكمبيوتر ، وهي كافية لتزويد 120 ألف منزل بالطاقة. ارتفاع البرج 260 متر.كان أطول برج في العالم ، لكنه تجاوزه مؤخرًا برج الطاقة الشمسية البالغ ارتفاعه 262.44 مترًا في مجمع محمد بن راشد آل مكتوم للطاقة الشمسية.

محطة كهرباء في صحراء النقب في إسرائيل

في صيف عام 2009 ، قامت شركة eSolar الأمريكية ببناء برج شمسي برج سييرا للطاقة الشمسية لمحطة طاقة بقدرة 5 ميجاوات تقع في لانكستر ، كاليفورنيا ، على بعد حوالي 80 كم شمال لوس أنجلوس ، وتغطي محطة توليد الكهرباء مساحة تبلغ حوالي 8 هكتارات في واد جاف غرب صحراء موهافي عند خط عرض 35 درجة شمالاً.

برج سييرا للطاقة الشمسية

اعتبارًا من 9 سبتمبر 2009 ، بناءً على مثال محطات الطاقة الحالية ، تم تقدير تكلفة بناء محطة للطاقة الشمسية البرجية (CSP) من 2.5 إلى 4 دولارات أمريكية لكل واط ، بينما الوقود (الإشعاع الشمسي) مجاني . وبالتالي ، فإن بناء محطة توليد كهذه بسعة 250 ميغاواط يتكلف من 600 إلى 1000 مليون دولار أمريكي. هذا يعني من 0.12 إلى 0.18 دولار / كيلوواط ساعة.

كما وجد أن محطات الطاقة الشمسية المركزة الجديدة يمكن أن تكون قادرة على المنافسة اقتصاديًا مع الوقود الأحفوري.

قدر ناثانيال بولارد ، المحلل في Bloomberg New Energy Finance ، أن تكلفة الكهرباء المولدة من محطة إيوانبا للطاقة الشمسية ، التي تم إطلاقها في عام 2014 ، أقل من الكهرباء المولدة بواسطة محطة توليد الطاقة الكهروضوئية، وتقريباً نفس الكهرباء من محطة لتوليد الطاقة بالغاز الطبيعي.

أشهر محطات الطاقة الشمسية في الوقت الحالي هي محطة الطاقة جيماسولار بسعة 19.9 ميغاواط تقع غرب مدينة Esia في الأندلس (إسبانيا). تم افتتاح محطة الطاقة من قبل الملك خوان كارلوس ملك إسبانيا في 4 أكتوبر 2011.

محطة توليد الطاقة جيمسولار

هذا المشروع ، الذي حصل على منحة قدرها 5 ملايين يورو من المفوضية الأوروبية ، يستخدم تقنية تم اختبارها من قبل شركة Solar Two الأمريكية:

• تستخدم 2،493 heliostats بمساحة إجمالية قدرها 298000 متر مربع زجاجًا مع انعكاسية أفضل ، حيث يقلل تصميمها المبسط من تكاليف الإنتاج بنسبة 45٪.

• نظام تخزين طاقة حرارية أكبر بسعة 8500 طن من الأملاح المنصهرة (النترات) ، مما يوفر استقلالية لمدة 15 ساعة (حوالي 250 ميجاوات في الساعة) في حالة عدم وجود ضوء الشمس.

• تصميم مُحسَّن للمضخة يسمح بضخ الأملاح مباشرة من صهاريج التخزين دون الحاجة إلى حوض.

• نظام توليد البخار بما في ذلك إعادة تدوير البخار القسري.

• توربينات بخارية ذات ضغط أعلى وكفاءة أعلى.

• دائرة دوران الملح المصهور المبسطة ، خفض عدد الصمامات المطلوبة إلى النصف.

تغطي محطة توليد الكهرباء (البرج والمروحيات) مساحة إجمالية تبلغ 190 هكتارًا.

برج SPP Gemasolar للطاقة الشمسية

لقد بنى أبينجوا يا مشمس في جنوب إفريقيا - محطة كهرباء بارتفاع 205 متر وبسعة 50 ميغاواط. أقيم حفل الافتتاح في 27 أغسطس 2013.

يا مشمس

نظام توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية Ivanpah - محطة للطاقة الشمسية بقدرة 392 ميغاواط في صحراء موهافي بكاليفورنيا ، على بعد 40 ميلاً جنوب غرب لاس فيغاس. تم تشغيل محطة الطاقة في 13 فبراير 2014.

نظام توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية Ivanpah

يغطي الإنتاج السنوي لهذا الاستهلاك المنزلي استهلاك 140 ألف أسرة. تم تركيب 173،500 مرآة مروحية لتركيز الطاقة الشمسية على مولدات البخار الموجودة في ثلاثة أبراج شمسية مركزية.

في مارس 2013 ، تم توقيع اتفاقية مع شركة Bright Source Energy لبناء محطة طاقة أحرق في ولاية كاليفورنيا ، ويتكون من برجين 230 مترًا (250 ميجاوات لكل منهما) ، ومن المقرر بدء التشغيل في عام 2021.

محطات الطاقة الشمسية العاملة بأبراج الطاقة الشمسية: Solar Park (دبي ، 2013) ، Nur III (المغرب ، 2014) ، Crescent Dunes (نيفادا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2016) ، SUPCON Delingha و Shouhang Dunhuang (Kathai ، كلاهما 2018.) ، Gonghe ، Luneng Haixi وهامي (الصين ، جميع 2019) ، سيرو دومينادور (تشيلي ، أبريل 2021).

حل مبتكر للطاقة الشمسية

نظرًا لأن هذه التقنية تعمل بشكل أفضل في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي (الإشعاع الشمسي) ، يتوقع الخبراء أن أكبر نمو في عدد محطات الطاقة الشمسية البرجية سيكون في أماكن مثل إفريقيا والمكسيك وجنوب غرب الولايات المتحدة.

يُعتقد أيضًا أن الطاقة الشمسية المركزة لها آفاق جدية ويمكنها توفير ما يصل إلى 25٪ من احتياجات الطاقة في العالم بحلول عام 2050. حاليًا ، يتم تطوير أكثر من 50 مشروعًا جديدًا من هذا النوع من محطات الطاقة في العالم.