Pomysł Niemców zwiększy wydajność elektrowni słonecznej CSP

Fraunhofer ISE pracuje nad ulepszoną koncepcją elektrowni solarnej działającej zgodnie z koncepcją CSP (Concentrated Solar Power). Wśród zastosowanych innowacji jest nowy nośnik ciepła, a także „ściana powietrzna”.

Solar Thermal Tower Power Plant, czyli znajdująca się na wieży elektrownia słoneczna, jest rodzajem elektrowni wykorzystującej energię słoneczną do wytwarzania energii cieplnej, która następnie może być zamieniana w prąd. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość przechowania energii w czasie do kilku godzin. Promieniowanie słoneczne w elektrowni CSP jest przetwarzane na ciepło, które może zostać przechowane i wykorzystane do wygenerowania energii elektrycznej, gdy wystąpi na nią zapotrzebowanie.

Zazwyczaj elektrownia słoneczna CSP składa się z pola modułów skupiających (za pomocą soczewek/luster) promieniowanie słoneczne na specjalnej wieży znajdującej się w centrum pola paneli. Konstrukcja zawiera odbiornik, który pochłania promieniowanie, zamieniając je na ciepło. Ono zaś może zostać wykorzystane do ogrzewania wody. Następnie woda – już w postaci pary – napędza turbinę, która zasila generator elektryczny.

REKLAMA

Rozwiązanie to jest uważane za efektywne i ekologiczne, jednak wciąż ma pewne mankamenty, które ograniczają jego wydajność i zastosowanie w komercyjnych projektach.

Nowy nośnik ciepła

Naukowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE) opracowali nową koncepcję budowy wieżowych elektrowni słonecznych, aby zwiększyć koncentrację promieniowania słonecznego, zmniejszyć starty i końcowo podnieść wydajność systemu.

Pierwszym problemem, z jakim zmierzyli się badacze, był dotychczas używany nośnik ciepła w postaci stopionych soli, który ma ograniczenie temperaturowe. Można go stosować do temperatury 600 st. C, ponieważ powyżej tej granicy sole termiczne ulegają rozkładowi i wydajność pracy systemu spada.

Naukowcy z Instytutu Fraunhofera postawili zastąpić dotychczas stosowaną sól półprzewodnikowym nośnikiem ciepła wykonanym z materiału ceramicznego, który może osiągnąć temperaturę roboczą ponad 1000 st. C bez wpływu na pogorszenie sprawności procesu. Pierwsze testy dały pozytywne wyniki i – jak podają badacze – zasadne jest dążenie do udoskonalenia procesu poprzez zwiększenie przenikania ciepła głębiej w materiał ceramiczny. Pozwoli to zwiększyć jego pojemność cieplną i jeszcze bardziej podnieść wydajność całego systemu.

Warto wspomnieć, że ceramiczne elementy są w stanie zmagazynować więcej ciepła niż stopione sole, a przy tym wykonywane są z materiałów pochodzących z recyklingu, co zwiększa ekonomię procesu.

REKLAMA

Ściana powietrza dla ograniczenia strat

Innym problemem, z którym borykają się elektrownie słoneczne CSP, jest promieniujące ciepło, które „uciekając” z obszaru absorpcji, generuje straty. Dzieje się tak, ponieważ w momencie gdy nośnik ciepła osiąga temperaturę 600/1000 st. C, powietrze na zewnątrz (wokół wieży) ma dużo niższą temperaturę – około 30–40 st. C. W wyniku tak znaczącej różnicy temperatur chłodniejsze powietrze pochłania ciepło z nośnika o wyższej temperaturze, co generuje straty.

W komunikacie na stronie Instytutu Fraunhofera czytamy, że pierwszym pomysłem na zniwelowanie tych strat było zastosowania okien wykonanych ze szkła kwarcowego, jednak wykazano, że obecnie nie produkuje się tego typu okien w pożądanym rozmiarze.

Opracowano zatem rozwiązanie polegające na wygenerowaniu ściany powietrza, która będzie stanowić barierę pomiędzy dwoma nośnikami ciepła o różnych temperaturach.

Strumienie powietrza oddzielają gorące wnętrze odbiornika (po lewej)
od powietrza zewnętrznego (po prawej)

Ściana powietrza została stworzona przy użyciu specjalnych dysz, a jej działanie naukowcy monitorowali za pomocą 50 czujników temperatury. Symulacja wykazała, że przy optymalnym ustawieniu parametrów pracy dysz straty ciepła odbiornika były mniejsze o 30 proc.