Istraživači na Fraunhofer institutu za solarne energetske sustave (ISE) koriste potpuno novi koncept za povećanje učinkovitosti koncentrirane solarne toplinske energije (CSP) tornjeve elektrane. Da bi to učinili, prvo su promijenili medij za prijenos topline koji se koristi za prijenos prikupljene topline od sunca u jedinicu za pohranu. Do sada su se ovdje koristile rastaljene soli. Nedostatak: mogu se koristiti samo na temperaturama do 600 stupnjeva Celzijusa. Ako temperatura poraste iznad te, posebne termalne soli se raspadaju.
Novi medij za prijenos topline za više temperature
Međutim, što je viša temperatura, veća je učinkovitost cijele elektrane. Iz tog su razloga istraživači s Fraunhofer ISE u Freiburgu koristili medij za prijenos topline koji se sastoji od krutih tvari koje mogu doseći radne temperature veće od 1000 stupnjeva Celzijusa.
Vidi također: Povećanje učinkovitosti solarnih termoelektrana
Medij za prijenos topline se pomiče kroz prijemnik i zagrijava izravno, slično vrtuljku. Proizvođač skladišta Kraftblock iz Sulzbacha u Saarlandu je za tu svrhu razvio nove keramičke prijemne elemente. Oni su otporni na toplinu i mogu pohraniti puno topline. Osim toga, proizvedeni su na ekološki prihvatljiv način od recikliranog materijala, što također snižava cijenu materijala za prijenos topline u odnosu na skupe termosoli.
Istraživači su opsežno testirali i izmjerili keramički materijal kao medij za prijenos topline. To im je omogućilo da procijene ponašanje materijala pod visoko koncentriranim sunčevim zračenjem. "Sljedeći cilj je daljnji razvoj materijala prijamnika tako da se energija provodi dublje unutar tijela", kaže Gregor Bern, voditelj grupe za sustave i tehnologije koncentriranja u Fraunhofer ISE.
Sve spojeno u jednoj komponenti
U novom prijemniku također su spojili kruti nositelj topline s prijamnikom sunčevog zračenja i materijalom za pohranu u jednu komponentu. To freiburškim istraživačima omogućuje smanjenje troškova izgradnje takvih elektrana. Osim toga, izbjegavaju gubitke u prijenosu topline i ograničenje protoka medija za prijenos topline koji su tipični za konvencionalne cjevaste prijemnike. Kao rezultat toga, više temperature, koje se bolje održavaju čak i uz fluktuirajuće sunčevo zračenje, smanjuju troškove proizvodnje solarne toplinske energije.
Smanjenje toplinskih gubitaka
Jedan problem s tornjevima elektrane su gubici zbog zračenja topline. Oni se javljaju pri visokim temperaturama i jakoj koncentraciji sunčeve svjetlosti i smanjuju učinkovitost. To je zato što zrak oko prijamnika doseže temperature iznad 600 stupnjeva Celzijusa. Međutim, temperatura okolnog zraka obično je u rasponu od 30 do 40 stupnjeva Celzijusa. Dok struji pored prijemnika, hladniji zrak apsorbira njegovu toplinu, koja se zatim gubi za proizvodnju energije. Stoga su istraživači tražili način da razdvoje različite slojeve zraka. Prva ideja bila je koristiti prozore od kvarcnog stakla. Međutim, oni ne postoje u potrebnoj veličini.
Također zanimljivo: Kenija: Sušenje na suncu i proizvodnja leda na solarni pogon
Zato su istraživači testirali ideju zračnog zida. Formiran je snažnim mlaznicama na otvoru spremnika i odvaja zrak oko spremnika od okolnog zraka. "Do sada su postojale samo simulacije ovog rješenja. Ali tehnologija nikada prije nije demonstrirana u sektoru elektrana", objašnjava Moritz Bitterling, znanstveni suradnik u projektnom timu Fraunhofer ISE.
Opsežno mjerenje zračnog zida
Istraživači iz Freiburga sada su to promijenili. Postavili su ispitnu stanicu u stvarnom mjerilu i opremili je s oko 50 temperaturnih senzora. Simulirali su topli prijemnik od 600 stupnjeva s grijaćim elementima. Za projekt je industrijski partner Luftwandtechnik posebno dizajnirao sustav zračnih zidova za primjenu pri visokim temperaturama i ugradio ga u ispitni štand. Ovim su testom istraživači tada mogli izmjeriti gubitke zračenja sa i bez zračnog zida i snagu grijanja potrebnu za postizanje 600 stupnjeva Celzijusa. Ovdje su također mogli testirati kako bi radni parametri kao što su kut zračnih zidnih mlaznica i izlazna brzina zraka trebali biti optimalno dizajnirani. Rezultat: s optimalnim podešavanjem radnih parametara, toplinski gubici prijamnika zbog zračenja mogu se smanjiti za 30 posto.
Mjerenje novih ogledala
Freiburški istraživači također podržavaju daljnji razvoj samih tornjevih elektrana. Ovdje je trend prema manjim jedinicama koje više nisu opremljene dosadašnjim paraboličnim zrcalima, već tzv. Stellio heliostatima. To su peterokutna segmentirana ogledala koja stoje na stupu i bacaju sunčevu svjetlost na solarni toranj. Zajedno s tvrtkom SBP Sonne žele smanjiti troškove takvih sustava optimizacijom dizajna pilona. Ovo treba prilagoditi zahtjevima malih tornjastih elektrana. Funkcija Fraunhofer ISE u ovom zajedničkom projektu je mjerenje heliostata pomoću 3D laserskog skeniranja i testiranje procedure za brzo mjerenje heliostata na terenu. Do sada su istraživači iz Freiburga koristili deflektrometrijska mjerenja površina zrcala u laboratoriju kako bi analizirali kako se deformiraju pod određenim opterećenjima.
Simulacija cijelog sustava
Na kraju su istraživači razvili opći koncept od svih ovih pojedinačnih komponenti. Sastoji se od prijamnika s krutim nosačem topline i zračnom stijenkom te optimiziranih Stellio heliostati, koji su integrirani u solarnu termoelektranu. U tu su svrhu također istražili koji je proces u elektrani najprikladniji za spajanje pojedinačnih novorazvijenih komponenti i kako se toplina može prenijeti iz krutih tvari u temeljni proces elektrane na parnu turbinu.
Jesi li propustio ovo? Novi senzor neovisno mjeri stupanj zaprljanosti CSP biljaka
Na kraju su simulacijskim alatom modelirali cijeli sustav, ispitali ga i zatim ekonomski ocijenili. Na taj bi se način mogli proširiti postojeći tehničko-ekonomski modeli te odrediti optimalan dizajn i rad elektrane s novim komponentama. (su/mfo)