16
Univerzitet u Nišu Fakultet zaštite na radu Solarne termoelektrane (seminarski rad)

Solarne termoelektrane.docx

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Solarne termoelektrane.docx

Univerzitet u Nišu

Fakultet zaštite na radu

Solarne termoelektrane

(seminarski rad)

Student:

Stojković David 13153

Page 2: Solarne termoelektrane.docx

SADRŽAJ

Uvod……………………………………………………………………………3

1.Energija Sunca ( Solarna energija )……………………………………….3

2. Solarne termoelektrane…………………………………………………….4

2.1.Vrste termoelektrana…………………………………………….…….5

2.1.1.Parabolični kolektori………………………………………………………….…..6

2.1.2.Fresnel reflektori………………………………………………………………….6

2.1.3.Solarni tornjevi……………………………………………………………………7

2.1.4.Solarni tanjiri……………………………………………….……………………..8

2.1.5.Solarne uzgonske elektrane …………………..………………………………….8

2.1.6. Solarni bazen……………………….……………………………………………..9

3. Perspektiva razvoja solarnih termoelektrana……………………………10

ZAKLJUČAK……………………………...………………………………………………...11

LITERATURA……………………………………………………………………………...12

2

Page 3: Solarne termoelektrane.docx

Uvod

Solarna energija je energija sunčevog zračenja koju primećujemo u obliku svetla i toplote koju primamo od najvećeg izvora energije na Zemlji, Sunca. Sunčevo zračenje je odgovorno i za stalno obnavljanje energije vetra, morskih struja, talasa, vodenih tokova i termalnog gradijenta u okeanima. Već decenijama se solarna energija koristi za generisanje toplote u smislu zagrevanja vode, životnog prostora, a takođe i za hlađenje. Upotreba solarne energije ima višestruke prednosti. To je tih, čist, obnovljivi i pouzdan izvor energije. Zbog rastuće cene fosilnih goriva kao i zbog jačanja svesti o potrebi očuvanja životne sredine sve više reste interes za korišćenje sunčeve energije.

1.Energija Sunca ( Solarna energija )

Sunce je nama najbliža zvezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sunčeva energija potiče od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gde temperatura doseže 15 mil °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodonikovih atoma nastaje helijum, uz oslobađanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helijum prelazi oko 600 mil tona vodonika, pri čemu se masa od nekih 4 mil tona vodonika pretvori u energiju.

Sunce proizvodi energiju već pet milijardi godina i prema trenutnim procenama ta proizvodnja energije nastaviće se još idućih pet milijardi godina. Solarna energija je deo energije proizvedene na Suncu koji stiže do zemlje.

Solarna energija može se direktno pretvarati u toplotnu energiju ili u električnu energiju, a to su zapravo korisni oblici energije. Električna energija je najkorisniji oblik energije današnjem čovečanstvu jer se može jednostavno pretvoriti u koristan rad.

Solarna energija je „motor“ za gotovo sve obnovljive izvore energije. Sekundarni izvori energije koje pokreće solarna energija, poput energije vetra, energije talasa, hidroenergije i biomase, čine većinu obnovljivih izvora energije na zemlji.

Noću i za vreme vrlo oblačnih dana, solarna energija nije potpuno dostupna i potrebni su sistemi za prikupljanje i čuvanje energije koji se pune kad je energija dostupna. Solarna energija može se akumulirati u različitim oblicima, ali najpopularniji su konverzija u toplotnu energiju, akumuliranje u baterijama i akumulatorima te „pumped storage“ sistemi – pumpanje vode na više mesto kad postoji dovoljno energije i korišćenje te vode, kad solarna energija nije dostupna.

Solarna energija je obnovljivi izvor energije jer se ne može potrošiti poput fosilnih goriva. Solarna energija takođe je i vrlo čist izvor energije nakon instalacije, jer nema štetnih emisija ili zagađenja nastalog zbog upotrebe solarnih panela ili solarnih ćelija.

3

Page 4: Solarne termoelektrane.docx

Osnovni principi direktnog korišćenja energije Sunca su:

Solarni paneli ili kolektori – Solarna energija se pretvara u toplotnu; većinom se koristi za grejanje vode.

Koncentrisanje solarne energije – Usmeravanje solarnog zračenja upotrebom polja ogledala u jednu tačku u kojoj se neka tečnost zagreva na visokoj temperaturi. Ovako zagrejana tečnost koristi se onda za proizvodnju električne energije. Ovo je osnovni način rada u današnjim solarnim elektranama.

Solarne ćelije – Pretvaranje solarne energije direktno u električnu energiju.

2. Solarne termoelektrane

Solarne termoelektrane su izvori električne struje dobijene pretvaranjem sunčeve energije u toplotnu tako što zagrevamo gas ili čvrstu supstancu, a zatim taj produkt iskoristimo u kružnom procesu (najčešće se koristi Rankineov) za generisanje električne energije. S obzirom da nemaju štetnih produkata prilikom proizvodnje električne energije, a imaju dobru efikasnost (20-40 %), proriče im se svetla budućnost. Kako je količina energije koja pada na površinu izuzetno velika, izgradnjom takvih elektrana na sunčanim područjima (npr. Sahara) mogao bi se energijom snabdeti veliki deo potrošača, barem dok ne uzmemo ekonomiju u obzir. Napredak ove tehnologije zavisi i od samog Rankineovog kružnog procesa. Trenutno eksperimentiše s vodonikom, pošto ima veliki specifični toplotni kapacitet (cp=14.235 kJ/ (kg K)) jer je prenos toplote definisan kao proizvod mase, specifičnog toplotnog kapaciteta i razlike temperatura.

Slika 2.4.6.1/1. Shematski prikaz solarne termoelektrane

4

Page 5: Solarne termoelektrane.docx

Zbog potrebe za visokim temperaturama, gotovo svi oblici solarnih termoelektrana moraju koristiti nekakav oblik koncentrisanja sunčevih zraka s velikog prostora na malu površinu. Kako se tokom dana položaj Sunca na nebu menja, tako se stalno menja i najpovoljniji ugao pod kojim padaju sunčevi zraci na ogledala, zato je potrebno ugraditi sisteme koji će stalno prilagođavati njihov položaj. Ti sistemi su neophodni kako bi se dobila što veća efikasnost, ali ujedno i najveći faktor u vrlo visokim cenama solarnih termoelektrana. Zavisno od temperature radne materije u solarnim elektrana koriste se odgovarajući pogonski uređaji za proizvodnju električne energije. Parne turbine koriste se do 600 °C, a iznad te temperature gasne turbine. Vrlo visoke temperature uslovljavaju korišćenje različitih materijala i tehnika. Za temperature iznad 1100 °C predlaže se korišćenje tečne fluoridne soli kao radnog medija te višestepeni turbinski sistem čime je moguće postizanje energetske efikasnosti i do 60 %. Tako visoka radna temperatura omogućava znatne uštede vode, što posebno dolazi do izražaja u pustinjama, gde se izgradnja upravo takvih solarnih elektrana i očekuje.

Smanjenja u ceni su moguća skladištenjem toplote, a ne struje, budući da je takva tehnologija danas jeftinija, a proizvodnja toplote je ionako neophodna za funkcionisanje ovakvog tipa elektrana. Time je moguće takođe dobiti električnu energiju i onda kada to inače ne bi bilo moguće. Ti se sistemi baziraju na skladištenju toplotne energije u materijal velike energetske vrednosti. Trenutno se kao takav materijal koristi rastopljena so, čiji je sastavni element natrijum - metal velike energetske vrednosti. Danas se takođe koristi para pod visokim pritiskom (50 bara na 285 °C), ali vreme skladištenja je svega jedan sat.

2.1.Vrste termoelektrana

Prema vrsti koncentrisanja sunčevog zračenja, solarne termoelektrane su podeljene na koncentrirajuće i nekoncentrirajuće.

Koncentrirajuće solarne termoelektrane možemo podeliti na:

- Parabolične protočne solarne termoelektrane

- Solarni toranj tj. sa središnjim prijemnikom (CRS - central receiver systems)

- Parabolični tanjir.

Za ekonomičnu primenu u elektroenergetskim sistemima gore navedena rešenja solarnih termoelektrana relevantna su prema iskustvu i potencijalu. Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu sunčevog zračenja i za dobru efikasnost moraju pratiti kretanje Sunca.

Nekoncentrirajuće solarne elektrane delimo na:

- Solarni dimnjak

- Solarni bazen

Danas se koriste jedino koncentrirajuće solarne termoelektrane (CSP – Concentrated Solar Plant). Sastoje se od ogledala i skladišta fluida koji se zagreva te takav prolazi kroz turbine

5

Page 6: Solarne termoelektrane.docx

ili toplotne motore (npr. Strilnigov motor). S obzirom na raznolikosti među ogledalima i celokupnoj strukturi sistema možemo ih podeliti u sledeće kategorije:

2.1.1.Parabolični kolektori

Oni su najstariji i najčešće korišćeni tip koncetrirajućih solarnih termoelektrana (90 %). Takve elektrane uglavnom generišu između 14-80 MW. Sastoje se od dugih nizova paraboličnih ogledala (zakrivljenih oko samo jedne ose) i kolektora koji se nalazi iznad njih. Njihova je prednost što je potrebno pomeranje ogledala samo kada je promena položaja Sunca u ortogonalnom smeru, dok prilikom paralelnog pomaka to nije potrebno jer svetlost i dalje pada na kolektore. Kroz kolektore najčešće struji sintetičko ulje koje se pod uticajem Sunčevih zraka zagrevaju do maksimalnih 390 °C.

Slika 1. Parablolični kolektori u pustinji Mojave (California)

2.1.2.Fresnel reflektori

Koriste nizove dugih malo zakrivljenih ili potpuno ravnih ogledala, a izgledom podsećaju na parabolične kolektore. Sistem je napravljen tako da više nizova ogledala cilja u isti kolektor što dovodi do finansijskih ušteda, a i sama ogledala se okreću oko samo jedne ose. Ciljanjem ogledala u različite kolektore u različita doba dana moguće je postaviti gust raspored ogledala, čime se dobija više energije usprkos efikasnosti manjoj od 20 %. Pošto je ovo najmlađa tehnologija bazirana na koncetriranju zraka postoji svega par elektrana koje rade na tom principu. Najveće su Puerto Errado 2 u Španiji od 30 MW i jedna od 5 MW u Australiji.

6

Page 7: Solarne termoelektrane.docx

Slika 2. Fresnel reflektori

2.1.3.Solarni tornjevi

Ove elektrane imaju veliki broj ogledala postavljenih oko središnjeg mesta gde se nalazi toranj. Ogledalima se upravlja kompjuterski, te pomoću njih pronalaze najbolji ugao za reflektovanje prema solarnom tornju. Osim ranije spomenutih rastopljenih soli i sintetičkih ulja, možemo koristiti i gasove kako bi postigli temperature iznad 800 °C. Trenutno najisplativije je koristiti rasotpljenu so, ali se smatra da će se kroz par godina preći na gasove pri visokim temperaturama. Nedostatak ove tehnologije je što zahteva relativno ravnu površinu, naime cela radna površina (polje ogledala) dopušta maksimalno odstupanje od svega 1 % na ravan.

Slika 3.  Solarni toranj u Španiji

2.1.4.Solarni tanjiri

7

Page 8: Solarne termoelektrane.docx

Zbog paraboličnog izgleda podsećaju na satelitske tanjire, ali su otprilike 10 puta veći. Zrake svetlosti, odbijajući se od ogledala, padaju u jednu tačku (kolektor) koji se nalazi iznad njih. Tu se razvijaju temperature oko 900 °C , a za dobijanje električne energije se koristi Stirlingov ili parni motor. Radna materija je helijum ili vodonik. Zbog pokretnih mehanizama potrebna su česta servisiranja, a celi sistem zahteva rotaciju oko dve ose i skupa parabolična ogledala, što se na kraju odražava na ukupu isplativosti ovakvog sistema.

Slika 4. Solarni tanjiri u Španiji

2.1.5.Solarne uzgonske elektrane (nisu koncentrirajuće)

Elektrana se sastoji od 3 osnovna elementa, solarnih kolektora u kojima se vazduh zagreva, vetroturbina i dimnjaka kroz koji se diže vrući vazduh. Solarni kolektori su u suštini građevine nalik na staklenik u kojima se zagreva vazduh odnosno voda toplotom sunčevog zračenja. Topli vazduh se zbog efekta dimnjaka diže, prolazi preko turbina proizvodeći električnu energiju i odlazi u dimnjak. Glavni parametri koji određuju veličinu ove vrste elektrane su površina kolektora i visina dimnjaka. Veća površina kolektora omogućuje većoj količini vazduha da se zagreje i struji preko turbina, dok viši dimnjak omogućuje veću razliku pritiska i efikasniji efekt dimnjaka. Kako bi elektrana mogla proizvoditi energiju i tokom noćnih sati, moguće je u kolektore ugraditi cevi u kojima se nalazi već ranije spomenuta voda. Kako voda ima vrlo visoki toplotni kapacitet, idealna je za skladištenje toplotne energije koju oslobađa u noćnim satima te na taj način omogućava rad elektrane i u noćnim satima (iako sa smanjenim kapacitetom). Ova vrsta postrojenja ima izuzetno malu efikasnostost. Predviđa se da kolektori od 38 km2mogu dobiti tek 0,5 % (oko 5 W/m2) od sveukupnog sunčevog zračenja koje padne na njih. Takođe je veliki nedostatak izuzetno velika površina koju zauzimaju kolektori. Budućnost ovog tipa postrojenja zasad je vrlo nesigurna iako postoje neki planovi o izgradnji u zemljama sa velikim brojem sunčanih i toplih dana (Australija, Namibija).

8

Page 9: Solarne termoelektrane.docx

Slika 5. Prikaz solarne uzgonske elektrane

Slika 6. Prototip solarne uzgonske elektrane u Španiji

2.1.6. Solarni bazen

Solarni bazeni su elektrane koje koriste princip raslojavanja vode kao osnovu kolektora. Kao kolektor i rezervoar toplote koristi se bazen ispunjen smesom vode i soli. Voda na dnu solarnog bazena služi kao primarni toplotni rezervoar iz kojeg se toplota izvlači za pogon. Dublji slojevi vode i dno solarnog bazena služe kao apsorber za direktno i difuzno sunčevo zračenje.

3. Perspektiva razvoja solarnih termoelektrana

9

Page 10: Solarne termoelektrane.docx

Od 2010. do 2030.god, očekuje se ubrzana izgradnja solarnih termoelektrana na globalnom nivou zahvaljujući napretku tehnologije.Merne stanice za procenu potencijala globalnog solarnog zračenja su instalirane u svim zemljama i regijama s visokim interesom za solarne termoelektrane uključujući i one kojima nedostaje odgovarajuća pokrivenost, poput Kine, Indije, Turske, Afrike, Bliskog Istoka i Latinske Amerike. Tehnologije koje koriste solarne termoelektrane su razne, od pomoćih napajanja na fosilna goriva za uštedu goriva do elektrana koje koriste samo sunčevo zračenje u regijama s mnogo sunčanih dana. Građene su neke samostalne (off-grid) i udaljene (remonte-grid) solarne elektrane, ali velike mrežne (on-grid) solarne elektrane čine više od 90% ukupnog kapaciteta.

Solarne termoelektrane još nisu u potpunosti konkurentane konvencionalnim termoelektrana na ugalj.

Solarne termoelektrane trenutno zahtevaju veće kapitalne investicije nego drugi izvori energije, ali nudi znatne dugoročne koristi zbog minimalnih troškova za gorivo pomoćnih ili hibridnih sistema. Inicijalni investicioni troškovi stalno padaju kako solarne termoelektrane bivaju sve veće, rastom konkurencije, masovnom proizvodnjom opreme, tehnološkim napretkom i dr., tako da u se u budućnosti očekuje veće korišćenje solarne energije.

ZAKLJUČAK

10

Page 11: Solarne termoelektrane.docx

Jedan od obnovljivih izvora električne energije su solarne termoelektrane. Naglasak je stavljen na tehnologije i procese koji najviše obećavaju da će značajno doprineti pokrivanju dela potrošnje električne energije u svetu.

Solarne termoelektane se dele na koncentrirajuće, u koje spadaju parabolične protočne, solarni toranj i parabolični tanjir, i nekoncentrirajuće u koje spadaju solarni dimnjak i solarni bazen.

Prednost koncentrirajućih solarnih termoelektrana u odnosu na nekoncentrirajuće je u koncentriranju solarnog zračenja kojim se postiže veća gustoća toka energije, čime se proizvodi para koju je lakše pretvoriti u električnu energiju. Trenutno najzastupljenija tehnologija koncentrirajućih solarnih termoelektrana jesu parabolične protočne termoelektrane u koje se uložilo najviše vremena i novca u njihov razvoj. Parabolične protočne termoelektrane s paraboličnim kolektorom, iako skuplje, postižu veću koncentraciju zračenja a time i veću efikasnost od fresnelovih kolektora. Kod solarnih tornjeva najveći napredak je postignut smanjivanjem površine heliostata te upotrebom kamera za praćenje Sunca, čime su smanjene investicije. Tehnologija paraboličnih tanjira postiže najveću koncentraciju solarnog zračenja a time i najveću efikasnost od svih vrsta solarnih termoelektrana ali nedostaci su cena i nedovoljno pouzdan rad stirlingovog motora. Solarni dimnjaci su trenutno ograničeni na demonstracijske elektrane pa se u bližoj budućnosti mogu očekivati prvi komercijalni solarni dimnjaci. Solarni bazeni rade samo kao demonstracijske elektrane i tu se ne vidi neki veći napredak zbog vrlo niske temperature pri pretvaranju u električnu energiju.

Tehnloškim napretkom čovečanstva povećavaju se i potrebe za električnom energijom koje iz dana u dan sve više rastu. Postajući sve svesniji uticaja na prirodu koju zapostavljamo i ugrožavamo radi korišćenja fosilnih goriva za proizvodnju električne energije, sve više će se pribegavati korišćenju, tj. proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora, u ovom slučaju solarnim termoelektranama.

LITERATURA

11

Page 12: Solarne termoelektrane.docx

1. Campoccia, A. et al., Comparative analysis of different supporting measures for the productionof electrical energy by solar PV and Wind systems, „Solar Energy”, Vol. 83, No. 3, Oxford, Elsevier Ltd. 2009.

2. Centar za multidisciplinarne studije Univerziteta u Beogradu, Snaga sunca i vetra – Vetar u jedra Srbije, Beograd, 2009.

3. Čakovac, H., Solarne termoelektrane, Elektrotehnički fakultet u Osjeku, Osjek, 2013.4. Marković D., Procena i energetska efikasnost, Univerzitet Singidunum, Beograd, 2010.

http://www.vtsnis.edu.rs/predmeti_2012/alternativni_izvori_energije/aie_vezbe_2013_5.pdf

http://zelenevjestine.com/wp-content/uploads/2013/06/6_Energija_sunca.pdf

http://hr.wikipedia.org/wiki/Sun%C4%8Deva_termoelektrana_Andasol

12