Energetyka słoneczna. Część 1: Instalacje fototermiczne i fotowoltaiczne

Metody przetwarzania energii promieniowania słońca w energię użyteczną dzieli się na dwie grupy: konwersję fotowoltaiczną, w której do produkcji energii elektrycznej wykorzystuje się ogniwa słoneczne, oraz fototermiczną, polegającą na przekształcaniu energii promieniowania słonecznego w energię termiczną w kolektorach.

Ciepło to zużywa się następnie np. do podgrzewania wody użytkowej w budynkach, wody w basenach lub do wspomagania ogrzewania pomieszczeń. Konwersję fototermiczną, przez lata pozostającą w cieniu technologii fotowoltaicznej, coraz częściej wykorzystuje się też jako etap pośredni w tzw. solarnych elektrowniach termicznych dużej skali. W instalacjach tego typu energia cieplna służy zwykle do produkcji pary wodnej zasilającej turbiny, które napędzają generatory elektryczne.

CZĘŚĆ I: OD FOTOTERMICZNYCH SYSTEMÓW PASYWNYCH DO ELEKTROWNI DUŻEJ SKALI

SŁONECZNE SYSTEMY GRZEWCZE

Rys. 1. Pasywna solarna instalacja grzewcza, w której kolektor jest zintegrowany ze zbiornikiem na wodę

Termiczne instalacje solarne wykorzystywane do podgrzewania wody montowane są głównie w domach jednorodzinnych, pensjonatach i niedużych zakładach produkcyjnych. Ich głównym komponentem są kolektory słoneczne, instalowane najczęściej na dachu budynku. Na rynku dostępne są różne rodzaje tych urządzeń, m.in. kolektory z płaskim absorberem połączonym z wymiennikiem ciepła oraz rurowe, np. próżniowe.

Pozostałe elementy instalacji solarnej zależą od tego, czy dany system grzewczy jest pasywny, czy aktywny, tzn. czy transport medium (wody lub czynnika grzewczego) między poszczególnymi częściami instalacji jest wspomagany mechanicznie, czy odbywa się jedynie na zasadzie ruchów konwekcyjnych.

INSTALACJE PASYWNE

Przykład najprostszego systemu pasywnego przedstawiono na rysunku 1. Kolektor słoneczny jest w tym wypadku zintegrowany ze zbiornikiem na wodę użytkową. Realizuje się to, ustawiając w nasłonecznionym miejscu szczelnie zamknięty pojemnik w szklanej osłonie. Zimna woda jest do niego doprowadzana rurą o wlocie tuż nad dnem, natomiast woda gorąca dopływa do domowej instalacji rurą u góry zbiornika. W miarę jak gorąca woda jest zużywana, do pojemnika wpływa nowa porcja zimnej wody. Ponieważ woda użytkowa ogrzewana jest bezpośrednio, jest to tzw. system z otwartym obiegiem.

Opisywana instalacja jest tania, ale jednocześnie nie wszędzie spełni swoje zadanie. W systemy takie warto inwestować jedynie na terenach silnie nasłonecznionych i tam, gdzie całoroczne warunki klimatyczne wykluczają zamarznięcie wody w zbiorniku. Pasywnym systemem jest również instalacja na rysunku 2, w której zbiornik z wodą umieszczono nad kolektorem. Zaletą takiego rozwiązania jest izolacja pojemnika z wodą. Dzięki temu, w przeciwieństwie do poprzednio opisywanej instalacji, gorąca woda zmagazynowana w zbiorniku jest dostępna przez cały czas, także w nocy.

CSP z koncentracją liniową Głównym elementem instalacji z liniową koncentracją promieni słonecznych są reflektory, czyli metalowe paraboliczne rynny (fot. 1) montowane na obrotowej podstawie. Jej ustawieniem steruje centralny system, co umożliwia śledzenie ruchu Słońca. Częścią systemu jest też metalowa konstrukcja wspierająca. CSP zazwyczaj składają się z setek rynien, dlatego rama jest niezbędna do ich wyrównania, a także ochrony przed wpływem wiatru. W ognisku reflektora znajduje się odbiornik, tzn. rura wypełniona płynem roboczym. W instalacjach, w których temperatury dochodzą do 200°C, jest to np. mieszanka dejonizowanej wody z glikolem etylowym. Przy temperaturach sięgających 450°C płynem roboczym jest najczęściej syntetyczny olej, a czasem np. stopiona sól. Odbiornik składa się z  metalowej rury pokrywanej specjalną powłoką, która poprawia właściwości absorpcyjne. Jej zadaniem jest izolacja i zapobieganie stratom ciepła. Fot. 1. Głównym elementem instalacji z liniową koncentracją promieniowania słonecznego są paraboliczne reflektory Między rurą absorbera i szklanym kanałem często wytwarza się próżnię. Nagrzany w absorberze czynnik roboczy jest pompowany do bloku energetycznego, w którym zamontowany jest zestaw wymienników ciepła wykorzystywanych do produkcji pary wodnej pod wysokim ciśnieniem napędzającej turbinę parową. Na rysunku przedstawiono schemat CSP tego typu o mocy 50MW, którą w miejscowości Sanlúcar la Mayor w Hiszpanii zbudowała firma Abengoa Solar. Fot. 2. CSP w Sanlúcar la Mayor w Hiszpanii zbudowana przez Abengoa Solar Instalacja ta (jedna z pięciu budowanych w tym rejonie, patrz fot. 2) składa się z 90 rzędów rynien, każdy po cztery reflektory z 12 modułów o wymiarach 12,5m × 5,76m. Sąsiednie rzędy oddzielono odstępem, który zapobiega wzajemnemu zacienianiu się modułów. Powierzchnia reflektorów to 300 tys. m², a cała instalacja zajmuje obszar około 115 hektarów. Według producenta system może dostarczyć okolicznym mieszkańcom energię 115 GWh rocznie. Wystarcza to do zasilenia około 26 tys. gospodarstw domowych i jednocześnie pozwala ograniczyć emisję CO2 o około 31,2 tys. ton rocznie. Możliwe jest też zasilanie awaryjne - elektrownia może pracować ze sprawnością 12-15% nominalnej wydajności, wykorzystując gaz ziemny. CSP z koncentracją punktową Fot. 3. System LPT 550 (Luz Power Tower) firmy BrightSource Energy Przykładem CSP z koncentracją punktową jest LPT 550 (Luz Power Tower) firmy BrightSource Energy (patrz fot. 3). Głównym elementem instalacji jest metalowa wieża, dookoła której rozstawione są lustra odbijające promienie słońca w kierunku parownika na szczycie. Parownik składa się z kilku segmentów: wytwarzania pary wodnej, przegrzewania i przegrzewania wtórnego. Skoncentrowane promieniowanie słoneczne nagrzewa wodę zgromadzoną w jego przewodach do temperatury 550°C. W ten sposób jest produkowana przegrzana para wodna pod ciśnieniem 160 barów, która zasila turbinę. Wykorzystana para jest schładzana powietrzem i wpompowywana z powrotem do parownika. Pozwala to zaoszczędzić zasoby wody, które na terenach silnie nasłonecznionych, a często pustynnych, gdzie zazwyczaj instalowane są CSP, są ograniczone. Lustra wchodzące w skład instalacji LPT 550 mają powierzchnię 14,4m² i są mocowane na stalowych słupach bezpośrednio w podłożu. Fot. 4. Wizualizacja kompleksu solarnego budowanego na pustyni Mojave przez BrightSource Energy W systemie o wydajności 100MW typowo jest około 50 tys. takich reflektorów. Podobnie jak w przypadku systemów z koncentracją liniową, także w LPT ustawienie luster jest regulowane w ślad za zmieniającym się położeniem Słońca. Centralny system sterowania optymalne ustawienie wyznacza na podstawie m.in. natężenia strumienia światła padającego na odbiornik na wieży, natężenia promieniowania słonecznego, prędkości wiatru, ciśnienia oraz liczby luster, dokładności, z jaką mogą śledzić ruch słońca i natężenia odbijanego przez promieniowania - dwa ostatnie parametry zależą od odległości reflektorów od wieży. Aktualnie BrightSource wykorzystując system LPT buduje duży kompleks solarny na pustyni Mojave (fot. 4). Instalacja o wydajności 400MW będzie składać się z trzech oddzielnych CSP, które dostarczą energię na zamówienie przedsiębiorstw energetycznych z Kalifornii. Budowa elektrowni będzie realizowana w kilku fazach w latach 2010-2013. Ostatecznie ma zapewnić zasilanie dla ponad 140 tys. gospodarstw domowych, ograniczając emisję CO2 o około 400 tys. ton rocznie.