Menara pembangkit listrik tenaga surya termal, sistem pemusatan tenaga surya

Matahari adalah sumber energi yang sangat "bersih". Saat ini, di seluruh dunia, pekerjaan penggunaan Matahari sedang berkembang ke berbagai arah. Pertama-tama, apa yang disebut industri tenaga kecil sedang berkembang, yang terutama mencakup pemanas gedung dan suplai panas. Tetapi langkah serius telah diambil di bidang energi skala besar - pembangkit listrik tenaga surya dibuat berdasarkan fotokonversi dan konversi termal. Pada artikel ini kami akan memberi tahu Anda tentang prospek stasiun dari arah kedua.

Teknologi Tenaga Surya Terkonsentrasi, yang dikenal di seluruh dunia sebagai CSP (Tenaga Surya Terkonsentrasi), adalah jenis pembangkit listrik tenaga surya yang menggunakan cermin atau lensa untuk memusatkan sinar matahari dalam jumlah besar ke area kecil.

CSP tidak sama dengan fotovoltaik terkonsentrasi — juga dikenal sebagai CPV (fotovoltaik terkonsentrasi). Di CSP, sinar matahari yang terkonsentrasi diubah menjadi panas, dan panas tersebut kemudian diubah menjadi listrik.Di sisi lain, di CPV, sinar matahari yang terkonsentrasi diubah langsung menjadi listrik melalui efek fotoelektrik.

Penggunaan industri konsentrator surya

Energi matahari

Matahari mengirimkan aliran energi radiasi yang kuat ke arah bumi. Sekalipun kita memperhitungkan bahwa 2/3 darinya dipantulkan dan dihamburkan oleh atmosfer, permukaan bumi tetap menerima energi 1018 kWh dalam 12 bulan, yang 20.000 kali lebih banyak daripada yang dikonsumsi dunia dalam setahun.

Wajar jika menggunakan sumber energi yang tidak ada habisnya ini untuk tujuan praktis selalu tampak sangat menggoda. Namun, waktu berlalu, manusia yang mencari energi menciptakan mesin panas, memblokir sungai, membelah atom, dan Matahari terus menunggu di sayap.

Mengapa begitu sulit untuk mengontrol energinya? Pertama, intensitas radiasi matahari berubah pada siang hari, yang sangat tidak nyaman untuk dikonsumsi. Artinya, stasiun surya harus memiliki instalasi baterai atau bekerja sama dengan sumber lain. Tapi ini masih bukan kelemahan terbesar. Lebih buruk lagi, kepadatan radiasi matahari di permukaan bumi sangat rendah.

Jadi di wilayah selatan Rusia, hanya 900 — 1000 W / m2... Ini cukup hanya dengan memanaskan air di pengumpul paling sederhana hingga suhu tidak lebih dari 80 — 90 ° C.

Sangat cocok untuk suplai air panas dan sebagian untuk pemanas, tetapi tidak untuk pembangkit listrik. Suhu yang jauh lebih tinggi dibutuhkan di sini. Untuk meningkatkan kerapatan fluks, perlu mengumpulkannya dari area yang luas dan mengubahnya dari tersebar menjadi terkonsentrasi.

Produksi energi dengan sistem pemusatan tenaga surya

Metode pemusatan energi matahari telah dikenal sejak zaman kuno.Sebuah legenda telah dilestarikan tentang bagaimana Archimedes yang agung, dengan bantuan cermin tembaga yang dipoles cekung, membakar armada Romawi yang mengepungnya pada abad ke-3 SM. NS. Syracuse. Dan meskipun legenda ini tidak dikonfirmasi oleh dokumen sejarah, kemungkinan pemanasan dalam fokus cermin parabola zat apa pun hingga suhu 3500 — 4000 ° C adalah fakta yang tak terbantahkan.

Upaya menggunakan cermin parabola untuk menghasilkan energi yang bermanfaat dimulai pada paruh kedua abad ke-19. Pekerjaan yang sangat intensif dilakukan di AS, Inggris, dan Prancis.

Cermin parabola eksperimental untuk menggunakan energi panas matahari di Los Angeles, AS (sekitar tahun 1901).

Pada tahun 1866, Augustin Mouchaud menggunakan silinder parabola untuk menghasilkan uap pada mesin uap surya pertama.

Pembangkit listrik tenaga surya A. Mouchaud, didemonstrasikan pada Pameran Industri Dunia di Paris pada tahun 1882, memberikan kesan yang sangat besar pada orang-orang sezaman.

Paten pertama untuk kolektor surya diperoleh oleh Alessandro Battaglia Italia di Genoa (Italia) pada tahun 1886. Pada tahun-tahun berikutnya, penemu seperti John Erickson dan Frank Schumann mengembangkan perangkat yang bekerja dengan memusatkan energi matahari untuk irigasi, pendinginan, dan pergerakan.

Mesin Surya, 1882

Pembangkit surya Frank Schumann di Kairo

Pada tahun 1912, pembangkit listrik tenaga surya pertama dengan kapasitas 45 kW dibangun di dekat Kairo dengan konsentrator parabola-silinder dengan luas total 1200 m22 yang digunakan dalam sistem irigasi. Tabung ditempatkan pada fokus masing-masing cermin. Sinar matahari terkonsentrasi di permukaannya.Air di pipa berubah menjadi uap, yang dikumpulkan di kolektor umum dan diumpankan ke mesin uap.

Secara umum, perlu dicatat bahwa ini adalah periode ketika kepercayaan pada kekuatan pemfokusan cermin yang fantastis menguasai banyak pikiran. Novel A. Tolstoy "The Hyperboloid of Engineer Garin" menjadi semacam bukti dari harapan tersebut.

Memang, di sejumlah industri, cermin semacam itu banyak digunakan. Berdasarkan prinsip ini, banyak negara telah membangun tungku untuk melelehkan bahan tahan api dengan kemurnian tinggi. Misalnya, Prancis memiliki oven terbesar di dunia dengan kapasitas 1 MW.

Lalu bagaimana dengan instalasi pembangkit energi listrik? Di sini para ilmuwan menghadapi sejumlah kesulitan. Pertama-tama, biaya sistem pemfokusan dengan permukaan cermin yang rumit ternyata sangat tinggi. Juga, ketika ukuran cermin bertambah, biayanya meningkat secara eksponensial.

Juga, membuat cermin dengan luas 500 — 600 m2 secara teknis sulit, dan Anda bisa mendapatkan daya tidak lebih dari 50 kW darinya. Jelas bahwa dalam kondisi ini daya unit penerima surya sangat terbatas.

Dan satu lagi pertimbangan penting tentang sistem cermin lengkung. Pada prinsipnya, sistem yang cukup besar dapat dirakit dari modul individual.

Untuk instalasi saat ini dari jenis ini lihat di sini: Contoh penggunaan konsentrator surya

Palung parabola yang digunakan di Pembangkit Listrik Tenaga Surya Terkonsentrasi Lockhart dekat Harper Lake, California (Mojave Solar Project)

Pembangkit listrik serupa telah dibangun di banyak negara. Namun, ada kelemahan serius dalam pekerjaan mereka - kesulitan mengumpulkan energi.Lagi pula, setiap cermin memiliki generator uapnya sendiri pada fokusnya, dan semuanya tersebar di area yang luas. Ini berarti uap harus dikumpulkan dari banyak penerima surya, yang sangat memperumit dan meningkatkan biaya stasiun.

Menara surya

Bahkan di tahun-tahun sebelum perang, insinyur N. V. Linitsky mengemukakan gagasan tentang pembangkit listrik tenaga surya termal dengan pusat penerima surya yang terletak di menara tinggi (pembangkit listrik tenaga surya tipe menara).

Pada akhir 1940-an, para ilmuwan dari Institut Penelitian Energi Negara (ENIN) dinamai V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum dan B. A. Garf mengembangkan konsep ilmiah untuk pembuatan stasiun semacam itu. Mereka mengusulkan untuk meninggalkan cermin lengkung mahal yang rumit, menggantinya dengan heliostat datar paling sederhana.

Prinsip pengoperasian pembangkit listrik tenaga surya dari menara cukup sederhana. Sinar matahari dipantulkan oleh beberapa heliostat dan diarahkan ke permukaan penerima pusat — generator uap surya yang ditempatkan di menara.

Sesuai dengan posisi Matahari di langit, orientasi heliostat juga berubah secara otomatis. Akibatnya, sepanjang hari, aliran sinar matahari yang terkonsentrasi, yang dipantulkan oleh ratusan cermin, memanaskan pembuat uap.

Perbedaan desain PLTS menggunakan konsentrator parabola, PLTS dengan konsentrator cakram, dan PLTS dari menara

Solusi ini ternyata sesederhana aslinya. Tetapi yang paling penting adalah, pada prinsipnya, dimungkinkan untuk membuat pembangkit listrik tenaga surya besar dengan daya satuan ratusan ribu kW.

Sejak itu, konsep pembangkit listrik tenaga panas matahari tipe menara telah mendapatkan pengakuan dunia. Baru pada akhir 1970-an, stasiun semacam itu dengan kapasitas 0,25 hingga 10 MW dibangun di AS, Prancis, Spanyol, Italia, dan Jepang.

Menara surya SES Themis di Pyrenees-Orientales di Perancis

Menurut proyek Soviet ini, pada tahun 1985 di Krimea, dekat kota Shtelkino, sebuah pembangkit listrik tenaga surya tipe menara eksperimental dengan kapasitas 5 MW (SES-5) dibangun.

Dalam SES-5, generator uap surya melingkar terbuka digunakan, yang permukaannya, seperti yang mereka katakan, terbuka untuk semua angin. Oleh karena itu, pada suhu sekitar yang rendah dan kecepatan angin yang tinggi, kehilangan konvektif meningkat tajam dan efisiensi menurun secara signifikan.

Penerima tipe rongga sekarang diyakini jauh lebih efisien. Di sini, semua permukaan pembuat uap ditutup, sehingga kerugian konvektif dan radiasi berkurang tajam.

Karena parameter uap yang rendah (250 °C dan 4MPa), efisiensi termal SES-5 hanya 0,32.

Setelah 10 tahun beroperasi pada tahun 1995 SES-5 di Krimea ditutup, dan pada tahun 2005 menara tersebut diserahkan untuk dibuang.

Model SES-5 di Museum Politeknik

Menara pembangkit listrik tenaga surya yang saat ini beroperasi menggunakan desain dan sistem baru yang menggunakan garam cair (40% kalium nitrat, 60% natrium nitrat) sebagai fluida kerja. Fluida kerja ini memiliki kapasitas panas yang lebih tinggi daripada air laut, yang digunakan pada instalasi percobaan pertama.

Diagram teknologi pembangkit listrik tenaga panas matahari modern

Pembangkit listrik tenaga surya menara modern

Tentu saja, pembangkit listrik tenaga surya adalah bisnis baru dan rumit dan tentu saja memiliki cukup banyak lawan. Banyak dari keraguan yang mereka ungkapkan memiliki alasan yang cukup bagus, tetapi orang hampir tidak bisa setuju dengan yang lain.

Misalnya, sering dikatakan bahwa diperlukan lahan yang luas untuk membangun menara pembangkit listrik tenaga surya. Namun, area di mana bahan bakar diproduksi untuk pengoperasian pembangkit listrik tradisional tidak dapat dikecualikan.

Ada kasus lain yang lebih meyakinkan yang mendukung menara pembangkit listrik tenaga surya. Luas spesifik lahan yang dibanjiri waduk buatan pembangkit listrik tenaga air adalah 169 hektar / MW, jauh lebih tinggi dari indikator pembangkit listrik tenaga surya tersebut. Selain itu, selama pembangunan pembangkit listrik tenaga air, tanah subur yang sangat berharga sering tergenang air, dan menara SPP seharusnya dibangun di daerah gurun - di tanah yang tidak cocok untuk pertanian maupun untuk pembangunan fasilitas industri.

Alasan lain kritik terhadap SPP menara adalah konsumsi materialnya yang tinggi. Bahkan ada keraguan apakah SES akan dapat mengembalikan energi yang dihabiskan untuk produksi peralatan dan mendapatkan bahan yang digunakan untuk konstruksinya selama perkiraan periode operasinya.

Memang, instalasi semacam itu padat material, tetapi sangat penting bahwa hampir semua material yang digunakan untuk membangun pembangkit listrik tenaga surya modern tidak kekurangan pasokan.Perhitungan ekonomi yang dilakukan setelah peluncuran pembangkit listrik tenaga surya menara modern pertama menunjukkan efisiensi tinggi dan periode pengembalian yang cukup menguntungkan (lihat di bawah untuk contoh proyek yang berhasil secara ekonomi).

Cadangan lain untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik tenaga surya dengan menara adalah pembuatan pembangkit hibrida, di mana pembangkit tenaga surya akan bekerja sama dengan pembangkit termal konvensional bahan bakar tradisional.Pada pembangkit gabungan, pada jam-jam radiasi matahari yang intens, bahan bakar pabrik mengurangi tenaganya dan " berakselerasi' dalam cuaca berawan dan pada beban puncak.

Contoh pembangkit listrik tenaga surya modern

Pada Juni 2008, Bright Source Energy membuka pusat pengembangan energi surya di gurun Negev Israel.

Di situs itu berada di kawasan industri Rotema, lebih dari 1.600 heliostat telah dipasang yang mengikuti matahari dan memantulkan cahaya ke menara surya setinggi 60 meter. Energi terkonsentrasi kemudian digunakan untuk memanaskan boiler di bagian atas menara hingga 550°C, menghasilkan uap yang dikirim ke turbin tempat dihasilkannya listrik. Kapasitas pembangkit listrik 5 MW.

Pada 2019, perusahaan yang sama membangun pembangkit listrik baru di gurun Negev —Ashalim… Toya Terdiri dari tiga bagian dengan tiga teknologi berbeda, pembangkit ini menggabungkan tiga jenis energi: energi panas matahari, energi fotovoltaik, dan gas alam (pembangkit listrik hibrida). Kapasitas terpasang menara surya adalah 121 MW.

Stasiun ini mencakup 50.600 heliostat yang dikendalikan komputer, cukup untuk memberi daya pada 120.000 rumah. Ketinggian menara adalah 260 meter.Itu adalah yang tertinggi di dunia, tetapi baru-baru ini dikalahkan oleh menara surya setinggi 262,44 meter di Taman Surya Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Pembangkit listrik di gurun Negev di Israel

Pada musim panas 2009, perusahaan Amerika eSolar membangun menara surya Menara Surya Sierra untuk pembangkit listrik 5 MW yang berlokasi di Lancaster, California, sekitar 80 km sebelah utara Los Angeles. Pembangkit listrik tersebut mencakup area seluas sekitar 8 hektar di lembah kering di sebelah barat Gurun Mojave pada garis lintang 35°N.

Menara Surya Sierra

Per 9 September 2009, berdasarkan contoh pembangkit listrik yang ada, diperkirakan biaya pembangunan menara pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) adalah US$2,5 hingga US$4 per watt, sedangkan bahan bakar (radiasi matahari) gratis. . Dengan demikian, pembangunan pembangkit listrik dengan kapasitas 250 MW menelan biaya 600 hingga 1.000 juta dolar AS. Ini berarti dari 0,12 hingga 0,18 dolar / kWh.

Ditemukan juga bahwa pembangkit CSP baru dapat bersaing secara ekonomi dengan bahan bakar fosil.

Nathaniel Bullard, seorang analis di Bloomberg New Energy Finance, memperkirakan bahwa biaya listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga surya Iwanpa, yang diluncurkan pada tahun 2014, lebih rendah daripada listrik yang dihasilkan oleh Pembangkit listrik fotovoltaik, dan hampir sama dengan listrik dari pembangkit listrik tenaga gas alam.

Pembangkit listrik tenaga surya yang paling terkenal saat ini adalah pembangkit listrik Gemasolar dengan kapasitas 19,9 MW, terletak di sebelah barat kota Esia di Andalusia (Spanyol). Pembangkit listrik ini diresmikan oleh Raja Juan Carlos dari Spanyol pada 4 Oktober 2011.

Pembangkit listrik gemsolar

Proyek ini, yang mendapat hibah 5 juta euro dari Komisi Eropa, menggunakan teknologi yang diuji oleh perusahaan Amerika Solar Two:

• 2.493 heliostat dengan luas total 298.000 m2 menggunakan kaca dengan reflektifitas yang lebih baik, yang desainnya yang disederhanakan mengurangi biaya produksi sebesar 45%.

• Sistem penyimpanan energi termal yang lebih besar dengan kapasitas 8.500 ton garam cair (nitrat), memberikan otonomi selama 15 jam (sekitar 250 MWh) tanpa adanya sinar matahari.

• Desain pompa yang ditingkatkan yang memungkinkan garam dipompa langsung dari tangki penyimpanan tanpa perlu wadah penampung.

• Sistem pembangkit uap termasuk resirkulasi paksa uap.

• Turbin uap dengan tekanan lebih tinggi dan efisiensi lebih tinggi.

• Sirkuit sirkulasi garam cair yang disederhanakan, mengurangi separuh jumlah katup yang dibutuhkan.

Pembangkit listrik (menara dan heliostat) mencakup area seluas 190 hektar.

Menara Surya SPP Gemasolar

Abengoa telah dibangun Hai yang cerah di Afrika Selatan — pembangkit listrik dengan ketinggian 205 meter dan kapasitas 50 MW. Upacara pembukaan berlangsung pada 27 Agustus 2013.

Hai yang cerah

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Ivanpah — pembangkit listrik tenaga surya 392 megawatt (MW) di Gurun Mojave California, 40 mil barat daya Las Vegas. Pembangkit listrik tersebut mulai beroperasi pada 13 Februari 2014.

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya Ivanpah

Output tahunan SPP ini mencakup konsumsi 140.000 rumah tangga. Memasang 173.500 cermin heliostat yang memfokuskan energi matahari ke generator uap yang terletak di tiga menara surya pusat.

Pada Maret 2013, ditandatangani kesepakatan dengan Bright Source Energy untuk membangun pembangkit listrik Dibakar di California, terdiri dari dua menara 230 m (masing-masing 250 MW), dijadwalkan beroperasi pada tahun 2021.

Pembangkit listrik menara surya operasional lainnya: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Maroko, 2014), Crescent Dunes (Nevada, AS, 2016), SUPCON Delingha dan Shouhang Dunhuang (Kathai, keduanya 2018.), Gonghe, Luneng Haixi dan Hami (Cina, semuanya 2019), Cerro Dominador (Cile, April 2021).

Solusi inovatif untuk energi matahari

Karena teknologi ini bekerja paling baik di daerah dengan insolasi tinggi (radiasi matahari), para ahli memperkirakan bahwa pertumbuhan terbesar jumlah menara pembangkit listrik tenaga surya akan berada di tempat-tempat seperti Afrika, Meksiko, dan Amerika Serikat bagian barat daya.

Dipercaya juga bahwa energi surya terkonsentrasi memiliki prospek yang serius dan dapat menyediakan hingga 25% kebutuhan energi dunia pada tahun 2050. Saat ini, lebih dari 50 proyek baru pembangkit listrik jenis ini sedang dikembangkan di dunia.