Электростанция им. инж. Гарина №2

[fregimus]

В предыдущий раз я писал о промышленных солнечных электростанциях, работающих уже давно. Речь сегодня пойдет о новой технологии солнечных станций: на сегодняшний день есть только одна работающая на таком принципе электростанция. Несколько строятся или планируются, и через несколько лет их будут десятки.

Хорошо заметно, в чем состоит неэффективность тепловой станции с зеркальными «корытами». Чтобы нагреть носитель до нужной температуры, требуются десятки и даже сотни километров трубы, а ведь эта труба не только нагревается солнцем: на всем своем протяжении она отдает тепло воздуху! Как же с этим бороться? Ответ совершенно очевиден: надо уменьшить размер нагреваемого солнцем теплообменника. А чтобы он все равно успел нагреться, нужно сделать так, чтобы все зеркала фокусировали свои солнечные зайчики на этом небольшом элементе.

Проще сказать, чем сделать: для управления зеркалами уже требуется компьютер.

Поэтому солнечные «башни», как их называют, появились позже «корытных» электростанций. На фотографиях — экспериментальная электростанция «Солнечный-2» (вид со спутника), построенная американским департаментом энергетики и национальной Ливерморской лабораторией в той же самой солнечной пустыне Мохабе. Проект продолжался с 1981 по 1999 год (он начинался как «Солнечный-1»).

Целью проекта было исследование технологии управления зеркалами — они называются гелиостатами — в условиях любой погоды, механических технологий для ветроустойчивых гелиостатов, испытания различных теплоносителей и многое другое, что требуется, чтобы довести технологию для уровня, достаточного для полноценного ее промышленного применения.

Электростанция вырабатывала 10 МВт электроэнергии, а оптическая мощность зеркальной системы ее составляла 600 солнц. Всего на станции было 1818 малых гелиостатов по 40 м² каждый, и 108 больших, по 95 м². Зеркала индивидуально наводились компьютером на центральную башню. Система эта очень гибкая: можно менять интенсивность нагрева ежеминутно, просто сдвигая «зайчик» в сторону от теплообменника. Когда станция работала, то часть зеркал находилась в режиме полной готовности, чтобы небольшим сдвигом зеркала навести зайчик на башню теплообменника. Лучи от этих зеркал «на подхвате» проходили через одну точку пространства, так что в ней светился яркий «НЛО», похожий на соединившихся макушками двух огромных медуз, хорошо видимый с шоссе, проходящего неподалеку. Вернее даже два, потому что этих фокальных точек было две, симметрично с двух сторон башни.

Сейчас проект уже завершен, и башней пользуется университет г. Дэвиса для наблюдения за излучением Черенкова, происходящим от каскадов элементарных частиц в верхних слоях атмосферы, вызванных, в свою очередь, гамма-излучением Солнца.

Когда наступает вечер, зеркала разворачиваются зеркальной поверхностью вниз, параллельно земле. В таком положении они меньше подвержены повреждениям от ветра, что несет абразивную, губительную для зеркал песчаную пыль, и которого в пустыне не сдерживают ни леса, ни горы. А электростанция… продолжает вырабатывать электричество, как ни в чем ни бывало! Как это возможно?

Теплоносителем «Солнечного-2» является смесь из расплава неорганических солей. При нормальной температуре эти соли твердые, но плавятся уже при 250°C. За счет высокой теплоты фазового перехода, соль остается жидкой и теплой несколько суток, даже если ее не подогревать.

Как известно, теплота фазового перехода у многих веществ велика. Например, испарение воды из кипящего чайника — тоже фазовый переход. Когда вы включаете чайник, вода нагревается. Один литр (точнее, 1 кг) воды требует 4,2 кДж энергии, чтобы нагреться на 1°C. Таким образом, чтобы нагреть чайник от 20°C до 100°C, требуется 80×4,2=336 кДж. Но как только чайник закипает, температура больше не растет: все тепло уходит на испарение воды. Чтобы превратить в пар то же самое количество воды, потребно уже 2270 кДж — почти в 7 раз больше. Если испарить всю воду, то эта энергия будет запасена в паре. Точно так же и в расплаве соли запасена очень большая энергия. Небольшое количество соли конденсируется, и отдает при этом тепло, поддерживая остальную часть соли расплавленной. «Солнечный-2» мог работать на полной мощности двое суток вообще без солнца — на запасенной в расплавленной соли теплоте. Нагретая соль превращала воду в пар для турбины в особом теплообменнике, и, когда светило солнце, паровые турбины работали на высокотемпературном цикле, а без солнца переключались на менее эффективный низкотемпературный, расходуя тепло, запасенное в подземном баке расплавленной соли. На утро солнечный теплообменник опять разогревал соль, а жидкая горячая соль несла тепло в бак и расплавляла сконденсировавшийся за ночь осадок твердой соли.

Сегодня проект завершен. Американские производители электричества не заинтересовались тогда коммерческими результатами проекта — дешевле было жечь уголь, чем строить солнечные станции.

Однако, ими заинтересовалась Испания, и знаменитый Королевский Указ №436 выделил огромные денежные суммы на освоение солнечной электроэнергии. Сейчас Испания — один из крупнейших мировых производителей и экспортеров солнечной электроэнергии. Знания, полученные в проекте «Солнечного-2», легли в основу конструкции первой в мире промышленной солнечной «башни». Эту станцию разрабатывала команда инженеров и ученых проекта «Солнечный-2», и она даже получила рабочее название Solar Tres, «Солнечный-3» по-испански.

Станция, построенная в солнечной южной Андалузии, в 15 км от Севильи, вошла в промышленную эксплуатацию в мае 2007 г. под названием PS10. Станция состоит из 115-метровой башни, окруженной 624 гелиостатами, каждый площадью 120 м², и генерирует 11 МВт электроэнергии. Это малая цифра, но в планах сейчас строительство новых башен, и Андалузский комплекс солнечных башен будет выдавать 300 МВт к 2013 г.

Башня построена архитектурной компанией ALTAC таким образом, чтобы не создавать ощущения гигантской конструкции, несмотря на свою огромную высоту. На высоте 30 м находится смотровая площадка для посетителей. Форма башни с окном посередине вызывает чудесной красоты иллюзию, как будто бы все поле электростанции подвешено к башне, словно вантовый мост, на канатах из солнечного света.

По мере того, как дорожают традиционные энергоносители, все больше и больше крупных энергопроизводителей обращают внимание на солнечную энергетику. В калифорнийской комиссии по землепользованию уже находится заявка, поданная в конце 2007 года, на разрешение строительства в пустыне Мохабе комплекса солнечных башен суммарной мощностью в 400 МВт. Это огромная мощность, примерно равная мощности крупной угольной станции. В комплекс войдут 6 башен по 33 МВт каждая, и 4 башни по 50 МВт. На рисунке, приложенном к заявке, нарисован вид будущей электростанции с воздуха.

Речь шла только о больших промышленных станциях, хотя выпускаются серийно и станции маленькие, например, компанией «Стирлинг». Интересны они тем, что в них используется генератор, приводимый в движение тепловой машиной Стирлинга. Такие автономные станции оборудуются дополнительной газовой горелкой, которая позволяет вырабатывать электричество ночью или в пасмурную погоду.

В штате Джорджия работает промышленная электростанция из 300 таких «Санкетчеров».

Если у человеческой цивилизации есть будущее, то энергетика этого будущего несомненно связана с Солнцем, как связана с ним вся жизнь на Земле. Это, пожалуй, самая чистая для земной экологии энергия, какую только можно получить.

Для желающих порвать солнечную энергетику на подложки для экрана выкладываю несколько фотографий в высоком разрешении в этой галерее.

Comments

[ex-clyde404.livejournal.com]

Насчет экологической чистоты - сразу появляется вопрос о том, насколько экологично производство зеркал.

[fregimus.livejournal.com]

Да, это правильный вопрос. Я тоже об этом думал, но никакой информации у меня нет. Умозрительно — стекло и алюминиевое напыление — вроде бы достаточно чистое производство.

[ex-clyde404.livejournal.com]

Как-то умозрительно.
Еще вопрос с рентабельностью. Та, которая меряется в баксах, с ней понятно - все пока плохо.
А та, которая меряется в КПД? Т.е., грубо говоря, на производство 1 МВТч требуется переработка какого-то кол-ва зеркал и прочего. Это требует затрат энергии. Не больше ли эти затраты, чем 1 МВТч? :)

[fregimus.livejournal.com]

Как-то умозрительно.
А Вы может цифры найти?

Та, которая меряется в баксах, с ней понятно - все пока плохо.
Это не совсем верно. За последние 10 лет цена угольного электричества выросла в несколько раз. На сегодня солнечное уже незначительно дороже угольного. Через 10 лет будет намного дешевле.

Не больше ли эти затраты, чем 1 МВТч?
Ну это уже не совсем правильный вопрос :-) Цифры с зеркалами были у меня в предыдущей статье: «корытная» станция мощностью 350 МВт требует замены в среднем 8 зеркальных панелей в день. Хватит 350 МВт? :-) Конечно, ее еще и построить надо, но то, что она окупается в смысле произведенной энергии, и даже стократ — несомненно. А технология с башней на порядок эффективнее «корытной».

[(Anonymous)]

мВт — это милливатт, а мегаватт будет МВт
;)

[fregimus.livejournal.com]

Спасибо, исправил. Привычка — милливатты мне в жизни встречаются гораздо чаще мегаватт…

[zwh.livejournal.com]

спасибо! очень познавательно

[fregimus.livejournal.com]

Пожалуйста! Меня самого потрясла эта конструкция.

[sergeyr.livejournal.com]

Технология красивая, но довольно неэффективная.
При расчёте экологического эффекта не учитывается занимаемая зеркалами площадь (у других типов ЭС, кроме равнинных ГЭС и ветряков, отношение площади к мощности в разы лучше). И вся эта площадь - "выкушена" у тех самых биоценозов, которые и есть "экология".

[ex-clyde404.livejournal.com]

В пустыне это как раз не особо важно, ИМХО.

[sergeyr.livejournal.com]

В пустыне зеркала протирать и полировать замучаются.

[ex-clyde404.livejournal.com]

Вот выше говорят про 8 панелей в день. Не такая большая цена.

[fregimus.livejournal.com]

Во как они мучаются:

[fregimus.livejournal.com]

При расчёте экологического эффекта не учитывается занимаемая зеркалами площадь
Ну как же такое возможно? Конечно, учитывается.

у других типов ЭС, кроме равнинных ГЭС и ветряков, отношение площади к мощности в разы лучше
А вот это скорее не так. Я уже говорил об этом — если сложить площадь под угольной станцией с площадью карьера… Неожиданно, но у солнечных станций Вт/м² лучше, чем у угольных и ГЭС.

Атомная — конечно, побивает. Но у атомной станции есть проблема отходов.

Какие еще бывают?

И вся эта площадь - "выкушена" у тех самых биоценозов, которые и есть "экология".
Если уж где и «выкусывать», мне кажется, то в пустыне Мохабе гораздо менее жалко, чем, скажем, на реке Волге заливать очередным водохранилищем плодородную обжитую землю.

Вообще говоря, основная опасность энергетики не в занимаемой площади (ГЭС губял лучшую площадь, и это более заметно), а в выбросах продуктов сгорания в атмосферу. Я к этому отношусь так: да, ученые спорят, есть разные модели, но если есть хоть одна из них, сделанная серезьным ученым, в которой Земле приходит каюк из-за технологического загрязнения атомсферы (а такие модели есть), то лучше сделать все, чтобы избежать экспериментальной проверки этой модели. Те, кто говорят, что они «скептически» воспринимают эти модели, с моей точки зрения поступают как раз наоборот, а именно бросаются в самую рискованную из всех возможных авантюр.

[sergeyr.livejournal.com]

Так ведь уголь не обязательно открытым способом добывать.
Но угольные тоже, в общем, не ахти. Атомные лучше.

Проблема отходов атомных станций, на мой взгляд, совершенно дутая. Отходы нужно просто складировать туда же, откуда руду радиоактивную добывали. Радиоактивность при этом только уменьшается в сравнении с "довмешательным" периодом - ибо это же реакции распада.

Равнинные ГЭС - как я уже говорил, дело совершенно дурное. ГЭС очень хороши в горах, на небольших реках с естественными перепадами высот. Швейцарцы, кажется, таких много построили, если я правильно запомнил читанный лет 10 назад буржуйский отраслевой журнал.

Выбросы в атмосферу, думаю, действительно стоит ограничить, это да. Поэтому как по мне - атомные надо строить. Без фанатизма, планомерно и аккуратно. Ну и ИТЭР тестить - на будущее.

[ex-clyde404.livejournal.com]

Как это "радиоактивность уменьшится?" Уран-то как раз стабилен, в отличие от своих продуктов распада. С необлученным урановым стержнем можно хоть в обнимку спать, как я понимаю.

[fregimus.livejournal.com]

Проблема отходов атомных станций, на мой взгляд, совершенно дутая. Отходы нужно просто складировать туда же, откуда руду радиоактивную добывали. Радиоактивность при этом только уменьшается в сравнении с "довмешательным" периодом - ибо это же реакции распада.
Не знаю деталей, но, как я понимаю, радиоактивность отходов значительно выше, чем активность необогащенной руды. То, что образуется в реакторе, не годится в качестве ядерного топлива, но светит куда как сильнее, чем исходный материал. Там периоды полураспада от месяцев до сотен тысяч лет, значительно более короткие, чем исходного урана.

Я не говорю, что атомных станций не надо строить — я считаю, что надо, без этого никуда не денешься. Но проблему отходов тоже решать надо, не оставлять потомкам.

Плохо, что атомная энергетика фактически загублена во всем мире. Нового поколения инженеров не выросло, а старого уже нет. Здесь прервалась технологическая связь времен. Это восстановимо все, конечно, но будет не просто.

Читали про pebble bed reactor? Хорошая технология, 20 лет назад ее придумали, а потом в Европе под давлением зеленых загубили. Китай их сейчас строит, и MIT ими занимается, хоть это радует. Куда менее потенциально опасный реактор, к тому же, маленький.

Термоядерные — это да, выход из всех затруднений, еще бы. Только вот нет их, а это сильно уменьшает практическую ценность… :-)

[dorinem.livejournal.com]

Надо же, как интересно! О таких технологиях не слышала раньше. Спасибо.

[fregimus.livejournal.com]

Пожалуйста. Сейчас на них спрос появляется, наконец-то. А исследования, оказывается, шли себе потихоньку уже больше 30 лет.

[dorinem.livejournal.com]

Кстати, за это спасибо тоже - очень приятно было узнать, что тема продвигается - это вселяет некоторую надежду. Больше всего меня смешат люди, которые ищут недостатки установки и приводят их как доказательство невыгодности солнечных установок. Технология-то новая, ей ещё расти и расти, а значит - улучшаться.

[absentis.livejournal.com]

Очень интересно, как-то упустил, что ребята так далеко уже продвинулись.
ps/ Хотя вот в бытовом использовании - сам сейчас сижу на почти необитаемом острове и пишу с коммуникатора, заряженного предусмотрительно захваченной с собой солнечной батареей:)

[fregimus.livejournal.com]

Так и полупроводники дешевеют. Их у нас и на крышах раскладывают, и в промышленных станциях начинают серьезно использовать. Видел военный рулончик такой — разматывается в солнечную батарею в несколько кв. м., ее на питание ноутбука, типа хватает, особенно на солнечном Ближнем востоке, а свернутый — валик где-то диам.15×50 см. Цена пока военная, но дальше будет лучше. :-)

Skiffer

[(Anonymous)]

Да граждане вроде взрослые люди а спорите, о том как "НЕ ОПАСНЫ" ядерные станции места мало занимают и т.д.
Вспомните дружно замечательную станцию Чернобыль, совсем не опасно, только теперь энное количество лет там находится нельзя.
А насчет площади есть замечательное мнение: глянув мельком на это фото http://pics.livejournal.com/fregimus/pic/000396k2 я сначала подумал что башенка стоит в цетре какого-то микрорайона а зеркала на крыше домов. но потом присмотрелся и понял просто зеркала а не домики, и появилась идея Башенку ставим в центре какаго нибудь квартала, зеркала на крыши домиков и мето экономим и расстояние для передачи електричества от станции до потребителя.

[(Anonymous)]

Да действительно совмещать жилые конструкции и энергетические это выход...вот только как с шумом быть, зеркала-то подвижны.....
А систему наверно можно повторить в кустарных условиях, в качестве теплообменника батарею, зеркала обычные, с приводами и контроллерами...и получаем автономную систему для загородного домика.....правда площадь установки гектары.....

[fregimus.livejournal.com]

Все проще — малые системы серийно выпускаются. Там параболический отражатель из нескольких зеркал, и двигатель Стирлинга с генератором. Где-то до 15 кВт, кажется. Что удобно — когда солнца нет, эта штуковина может жечь газ для производства энергии. В конце статьи про них.