Угольно-солнечные гибриды для выработки электроэнергии

Эта форма гибридной технологии объединяет две несопоставимые формы энергии, и они сочетают в себе индивидуальные преимущества каждой из них

Энергетические операторы, работающие на угле, продолжают искать пути повышения эффективности и продления срока службы своих установок за счет повышения эксплуатационной гибкости и уменьшения воздействия на окружающую среду, в зависимости от индивидуальных обстоятельств. В связи с этим можно рассмотреть возможный вариант - объединение солнечной энергии со сжиганием угля.

В некоторых случаях стоимость электростанций также может быть уменьшена. Очевидно, что эффективность применения любой солнечной системы географически ограничена местами, которые получают неизменно более высокие уровни солнечной радиации.

Ископаемые виды топлива, такие как уголь и газ, по-прежнему жизненно важны для производства большей части мировой электроэнергии, обеспечивая при этом надежные и недорогие поставки. Электричество, вырабатываемое возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер и солнечная энергия, дорого в производстве.

Возобновляемые источники энергии часто сильно субсидируются, а понесенные расходы переходят на конечного потребителя. Другим основным недостатком является то, что очень многое зависит от погоды. Показания выходной мощности непостоянны и могут варьироваться в широких пределах за короткие промежутки времени.

Таким образом, системы генерации, такие как угольные и газовые электростанции, останутся необходимы для организации резервных систем, на случай перебоев и прекращения доступа к возобновляемым источникам энергии. Основываясь на данных из 26 стран ОЭСР (за 1993–2013 гг.), требуется приблизительно 8 МВт дополнительной резервной мощности на каждые 10 МВт генерируемой мощности от возобновляемых источников энергии.

Несмотря на эти оговорки, существуют явные стимулы для изучения вариантов сочетания возобновляемых источников энергии с обычными тепловыми электростанциями, чтобы каждая из них обеспечивала преимущества в процессе создания более чистой и более эффективной генерирующей системы.

Одним из возможных вариантов может стать объединение солнечной тепловой энергии с угольной генерирующей мощностью - так называемая угольно-солнечная гибридизация.

Угольно-солнечные гибриды

Средства массовой информации иногда сообщают о разработке «гибридных» энергетических проектов, хотя на самом деле, это часто просто совмещенные объекты генерации. Например, фотоэлектрические солнечные элементы могут быть добавлены к газотурбинной установке с комбинированным циклом.

Очевидно, что эти солнечные активы генерируют электричество, но оно подается в сеть независимо от газовой электростанции. При таком типе устройства солнечное оборудование может служить для диверсификации экономических интересов владельца завода или уменьшения общего воздействия на окружающую среду.

Например, Индия планирует установить значительное количество солнечных фотоэлектрических генерирующих мощностей, а некоторые новые объекты будут расположены на существующих электростанциях, работающих на угле.

Обе системы будут генерировать электричество, которое будет подаваться в сеть независимо от другого. Хотя эти две технологии будут совместно использовать сети, они будут работать в основном, как независимые единицы, а не как интегрированные гибриды.

Существует ограниченное количество угольно-солнечных проектов - настоящих гибридов. Они работают в рамках полной кооперации, при которой два источника энергии используются для создания отдельных, но параллельных паровых путей. Эти пути позже сходятся, чтобы питать общую паровую турбину и генерировать электричество совместно. Эта форма гибридной технологии объединяет две несопоставимые формы энергии, и они сочетают в себе индивидуальные преимущества каждой из них.

Этот подход может компенсировать часть спроса на уголь. В дневное время солнечная энергия может быть использована для снижения потребления угля (режим сокращения угля). Поскольку солнечная радиация уменьшается во второй половине дня, вклад угля может быть увеличен, что позволит энергоустановке всегда работать при полной нагрузке.

Когда солнечная радиация снова растет, процесс меняется на противоположный и поступление солнечной энергии постепенно сокращает потребление угля. В качестве альтернативы, поступление энергии от солнечной фермы может быть использовано для производства дополнительного пара, который можно подавать через турбину, увеличивая выход электроэнергии.

Какой бы режим не был принят, проектирование и интеграция солнечной фермы в обычную систему имеют решающее значение для правильного функционирования гибридной установки в целом.

Солнечная энергия обычно собирается одним из двух способов. Первый - через обычные фотоэлементы, которые преобразуют солнечное излучение непосредственно в электричество. Второй - солнечная тепловая энергия, обычно в форме концентрированной солнечной энергии, где излучение используется для производства тепла.

Эти системы обычно используют ряд линз или зеркал, которые автоматически отслеживают движение солнца. Они фокусируют большую площадь солнечного света в небольшой концентрированный луч, который можно использовать в качестве источника тепла для обычной теплоэлектростанции.

Во всех типах систем рабочая жидкость, как высокотемпературное масло или, все чаще, расплавленные соли, нагревается концентрированным солнечным светом, а затем используется для подъема пара, который подается в обычную паровую турбину / генератор.

Ряд систем солнечного сбора коммерчески доступен, некоторые более эффективны, чем другие. Системы, использующие двухосевое отслеживание для концентрации солнечного света на одном точечном приемнике (башенные и тарелочные системы), обычно более эффективны, чем системы с линейным фокусом.

Там, где они являются частью установки концентрированной солнечной энергии, они могут работать при более высоких температурах и, следовательно, генерировать электроэнергию более эффективно. Однако, их также сложнее построить.

Четыре основных типа систем сбора солнечной энергии:

- Параболические желоба - солнечная энергия концентрируется с помощью отслеживающих солнце параболических изогнутых отражателей в форме желоба на приемной трубе, которая проходит вдоль внутренней части криволинейной поверхности;

- Линейные системы Френеля - альтернативная система, основанная на использовании сегментированных зеркал вместо желобов;

- Системы «Энергетическая башня» (или центральные приемные системы) - в них используются зеркала для отслеживания солнца (гелиостаты), чтобы фокусировать солнечный свет на приемнике в верхней части башни. Теплоноситель нагревается в ресивере до ~ 600 °C и используется для генерации пара, который затем подается в обычный турбогенератор;

- Параболические тарелки - они отражают солнечную радиацию на приемник, установленный в фокусе. Они обычно используют двухосевые системы слежения за солнцем.

Источник: Стивен Миллс, Объединение солнечной энергии с угольными электростанциями или сжигание природного газа, Чистая энергия, Том 2, Выпуск 1, июнь 2018 года, страницы 1–9, https://doi.org/10.1093/ce/zky004