Солнечные тепловые электростанции (СТЭС)

Гелиотермальная энергетика получает признание во всем мире как одна из лидирующих инновационных технологий, направленных на переход от ископаемого топлива к чистым возобновляемым источникам электрической и тепловой энергии.

Коммерческое производство энергии с помощью гелиоконцентраторов становится энергетическим приоритетом для стран с высоким уровнем солнечной инсоляции, включая Испанию, Марокко, ОАЭ, Мексику и др.

Строительство солнечных тепловых электростанций (СТЭС) может стать ключом к устойчивому равновесию между социально-экономическим развитием и ответственным отношением к окружающей среде.

Благодаря государственной помощи в виде тарифов за вырабатываемую электроэнергию и налоговых вычетов на инвестиции СТЭС стали прибыльными системами, гарантирующими приемлемый уровень доходности для инвесторов.

Международная компания ESFC (Испания) предлагает комплексные услуги в области финансирования, строительства и модернизации СТЭС, предоставляя индивидуальные решения клиентам во многих странах мира.

Наша команда совместно с партнерами из Испании и других европейских стран готова предложить вам финансирование и строительство солнечных проектов на выгодных условиях.

Виды солнечных тепловых электростанций

Существует два основных пути использования солнечной энергии в коммерческих целях — фотоэлектрическая и гелиотермальная технология.

Последняя заключается в преобразовании энергии солнечных лучей в тепловую энергию теплоносителя, которая в дальнейшем используется для генерации электроэнергии с помощью циклов Ренкина, Брайтона и Стирлинга, включая отложенную генерацию. Уникальное преимущество данной технологии состоит в том, что теплоноситель может определенное время «хранить» энергию, обеспечивая более равномерную генерацию на протяжении суток.

Среди многочисленных технических решений для гелиоконцентраторов, параболоцилиндрические зеркальные концентраторы для преобразования солнечного излучения в тепловую энергию считаются самой зрелой и эффективной технологией.

Остальные технологии, у которых может быть многообещающее будущее, пока рассматриваются как экспериментальные, поэтому найти финансирование для этих проектов довольно сложно.

Около десяти солнечных тепловых технологий вышли за рамки научных и исследовательских работ и уже стали основой для мультимегаваттных СТЭС, установленная мощность которых во многих случаях исчисляется сотнями мегаватт.

Классификация современных солнечных тепловых электростанций:

• Гелиоконцентраторы с параболическим желобом.
• Гелиоконцентраторы с параболическом желобом и интегрированной технологией накоплением тепла с использованием неорганических солей.
• СТЭС с линейными френелевскими концентраторами.
• Башенные гелиоконцентраторы с прямым генерированием пара.
• Башенные гелиоконцентраторы с технологией накопления тепла на основе солей.
• Параболические дисковые установки, оснащенные двигателем Стирлинга.
• Гибридные СТЭС, совмещенные с газовым котлом для ископаемого топлива.
• Гибридные СТЭС, совмещенные с твердотопливным котлом для биомассы.
• Гибридные СТЭС с использованием параболических желобов, совмещенных с парогазовыми установками комбинированного цикла.

Технология, основанная на концентрировании солнечной энергии вдоль трубы с теплоносителем с помощью длинных параболических желобов, активно изучается в США примерно с 1980-х годов.

На данном принципе была построена гигантская система SEGS (Solar Energy Generating System) в пустыне Мохаве, штат Калифорния.

Благодаря SEGS исследователи накопили десятки тысяч часов практического опыта, чтобы довести технологию параболоцилиндрических концентраторов до ее нынешнего состояния. Ни одна другая технология не была так хорошо изучена. Это является одной и причин, по которой большинство инвесторов делают выбор в пользу строительства СТЭС этого типа, несмотря на общеизвестные недостатки и опасности (например, использование теплоносителя на основе ароматических углеводородов).

В целом, существует две большие группы гелиоконцентраторов.

Первая группа установок концентрирует солнечную тепловую энергию вдоль линии, а вторая направляет лучи в одну точку, достигая гораздо более высокой локальной температуры. Эта группа СТЭС использует концентраторы с параболическим желобом или зеркала Френеля.

Вторая группа установок, которая работает с высокой температурой и регулирует направление лучей сразу по двум осям, использует или центральную башню, или двигатели Стирлинга. В наиболее продвинутых установках можно накапливать тепловую энергию, чтобы потом в подходящий момент преобразовать ее в электричество.

Также существуют гибридные солнечные тепловые электростанции, которые одновременно используют энергию солнца с ископаемым топливом либо биомассой. Эти инжиниринговые решения существенно расширяют перечень возможностей для инвесторов.

СТЭС с параболическим желобом: оборудование и технологии

На долю параболических концентраторов в настоящее время приходится 80-90% всех построенных на планете СТЭС, что делает указанную технологию наиболее изученной, надежной, предсказуемой и относительно доступной.

Примером солнечной тепловой электростанции на параболических концентраторах может служить современная CSNP Royal Tech Urat 100MW (Китай), подключенная к электрической сети в январе 2020 года.

Многочисленные электростанции этого типа эксплуатируют в Испании, Соединенных Штатах и ряде других стран.

Принцип действия подобных гелиоконцентраторов состоит в последовательном нагревании теплоносителя вдоль прямой линии длиной несколько сотен метров. Жидкий теплоноситель переносит тепловую энергию, захваченную параболическими зеркалами. Нагретая до высокой температуры жидкость затем используется для генерации пара и приведения в действие паротурбинной группы.

Цикл жидкого теплоносителя

Используемая текучая среда может быть водой, но в настоящее время не решены проблемы, связанные с испарением, которое могло бы происходить в промежуточной точке маршрута.

По этой причине выбор других жидкостей, которые не изменяют агрегатное состояние между одним концом и другим концом трубопровода, на которой сосредоточено солнечное излучение, является наиболее предпочтительным.

Из всех возможных жидкостей синтетические органические теплоносители демонстрируют наибольшие преимущества. Среди них выделяется эвтектическая смесь из дифенилоксида и бифенила. Эта смесь представляет собой наилучший компромисс между стоимостью и производительностью, хотя при обращении с ней могут возникнуть большие трудности, которые негативно влияют на результаты работы гелиоконцентраторов.

Поиск оптимального баланса между стоимостью и техническими характеристиками вынуждает инжиниринговые компании искать новые решения и оригинальные подходы при проектировании и строительстве солнечных тепловых электростанций данного типа.

Так, большое внимание уделяется сегодня повышению экологической безопасности и простоте эксплуатации и технического обслуживания подобных объектов.

После прохождения через параболоконцентрические зеркала теплоноситель нагревается до температуры около 380-390ºC. Это вполне безопасные значения, поскольку при нагревании выше 400ºC используемые ароматические углеводороды разлагаются. Разложение углеводородного теплоносителя на тяжелые и летучие фракции нарушают работу гелиоконцентратора и создают проблемы с безопасностью.

Независимо от режима работы параболического концентратора, система требует поставки специального оборудования для качественной очистки теплоносителя от любых продуктов разложения, обычно с использованием последовательной фильтрации и дистилляции.

Солнечное поле

Поле параболоцилиндрических концентраторов, также называемое солнечным полем, представляет собой обширный участок площадью до нескольких гектаров на каждый мегаватт установленной мощности, где установлены параболические зеркала.

Строительство СТЭС установленной мощностью 100 МВт может потребовать примерно 200 гектаров земли только для размещения концентраторов, не учитывая вспомогательного оборудования.

Коллекторные модули должны иметь идеальную форму и размеру, чтобы максимально эффективно концентрировать солнечное излучение на трубопроводе с теплоносителем. Они состоят из отражающих зеркал, поглотительной трубки и опор, которые фиксируют всю эту конструкцию в наиболее выгодном положении по отношению к солнцу.

Модули собраны в группы, которые перемещаются вместе, так что солнечное излучение всегда падает максимально перпендикулярно поверхности модуля. Несколько коллекторов соединяются последовательно, образуя стандартные контуры.

Крупная СТЭС может состоять из нескольких сотен таких независимых контуров, соединенных в общую систему.

Контур парогенератора

Тепло, поглощаемое теплоносителем, передается в водяной контур для производства пара.

Эта вода, которая была нагнетена в многоступенчатом центробежном насосе до давления от 50 до 100 бар, испаряется и нагревается примерно до 380°C, а HTF охлаждается и подготавливается к повторному использованию.

Охлажденный теплоноситель возвращается в солнечное поле, чтобы продолжить перенос энергии, захваченной параболическими концентраторами. Оборудование, которое отвечает за теплообмен между теплоносителем и пароводяным циклом, представляет собой кожухотрубные теплообменники больших размеров.

Инженерное проектирование парогенераторов для солнечных тепловых электростанций сегодня представляет собой сложную практическую задачу, поскольку инженерам нужно учитывать многочисленные риски и оптимизировать обслуживание оборудования.

В настоящее время каждый элемент СТЭС требует наличия специализированных команд по техническому обслуживанию и ремонту, что связано с дополнительными затратами.

По этой причине качественное проектирование и поставка надежного оборудования критически важно для успеха всего проекта.

Паровая турбина

Паровая турбина представляет собой один из ключевых элементов любой электростанции, преобразующей тепловую энергию пара в электричество. СТЭС не является исключением.

Образующийся пар направляется в паровую турбину, где происходит очередное преобразование энергии.

Энергия, содержащаяся в паре под высоким давлением (потенциальная энергия), преобразуется во механическую энергию вращения вала паровой турбины. Газовые турбины при этом использовать сложно, учитывая низкую температуру пара (380ºC). КПД процесса колеблется от 30% до 45%, в зависимости от нагрузки (более высокая производительность достигается при более высокой нагрузке) и достигает максимального значения при 100% мощности.

Правильный выбор паровой турбины на этапе инженерного проектирования СТЭС играет важную роль, поскольку каждый объект строится в расчете на четко определенные условия эксплуатации, уровень нагрузки и др.

Пароконденсатор

Пар, выходящий из турбины, является бесполезным, не способным выполнять механическую работу.

Его температура составляет менее 50ºC, а абсолютное давление ниже атмосферного.

По сути, отработанный пар на выходе из турбины представляет собой поток чистой деминерализованной воды, которую можно сконденсировать и вернуть в рабочий цикл.

Пароконденсаторы для солнечных тепловых электростанций выполняют такие задачи:

• Отработанный пар восстанавливается для повторного использования воды.
• Конденсатор создает низкое давление, благодаря чему заметно увеличивается общая производительность и мощность турбинной группы.
• Обеспечивается достаточное нагнетание жидкости перед подачей в котел, что является более энергоэффективным процессом по сравнению со сжатием пара.

Чтобы обеспечить конденсацию отработанного пара, нужно ввести в систему новую жидкость низкой температуры или холодный воздух для осуществления теплообмена.

При этом следует помнить, что процессы испарения и конденсации требуют подачи или отвода значительного количества тепла и, соответственно, достаточного притока воды.

При использовании воды пароконденсаторы мощных СТЭС могут потреблять от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов кубометров воды в год. Следовательно, строительство подобных объектов вдали от природных источников воды нецелесообразно.

При строительстве солнечной теплоэлектростанции в засушливых районах инженеры используют воздушное охлаждение, при котором тепло отработанного пара передается непосредственно в окружающий воздух. Это менее эффективный и более дорогой способ конденсации, поэтому он используется только в том случае, если нет других альтернатив.

Генератор и подстанция

На последней стадии цикла механическая энергия вращающегося вала паровой турбины требует преобразования в электрическую энергию.

Это преобразование осуществляется в электрогенераторе, который считается эффективным и надежным оборудованием.

Вырабатываемая электроэнергия передается в электросеть по высоковольтным линиям электропередачи.

Данные линии могут быть надземными или подземными, что требует строительства и монтажа ряда специальных элементов:

• Трансформаторная подстанция для повышения напряжения. Важно учитывать, что генерация осуществляется при самом благоприятном для генератора напряжении, а транспортировка осуществляется при напряжении, минимизирующем потери.

• Электрическая защита, гарантирующая, что генератор и электрическая сеть находятся в надлежащих условиях для стабильной безаварийной работы. Она включает системы заземления, в которые должны передаваться токи короткого замыкания.

• Контрольно-измерительное оборудование, которое информирует электрические системы защиты о значениях напряжения и тока в режиме реального времени.

Компания ESFC с партнерами занимается финансированием и строительством электрических подстанций под ключ.

Реализовано много проектов в разных уголках мира и получен бесценный опыт который всегда пригодится для продвижения вашего бизнеса.

Поставки оборудования для СТЭС включают выбор, заказ, доставку и профессиональный монтаж генераторов, трансформаторов, паровых турбин, элементов трубопровода, систем очистки теплоносителя и других частей.

Солнечные тепловые электростанции с центральным приемником

СТЭС с центральным приемником (в том числе так называемые установки башенного типа) состоят из из ряда больших зеркал, расположенных вокруг башни, называемых гелиостатами.

У каждого из гелиостатов устанавливается независимый двигатель, который позволяет ориентировать его так, чтобы отраженный системой солнечный луч концентрировался в определенной точке на вершине башни.

Центральный приемник отвечает за преобразование концентрированного излучения в тепло, передавая его теплоносителю, в роли которого может быть воздух, вода или неорганические соли. Этот теплоноситель может использоваться непосредственно для преобразования воды в пар, а также для повышения производительности газовой турбины путем нагрева всасываемого воздуха до входа в камеру сгорания.



Если жидким теплоносителем является вода, центральные приемные установки нагревают и испаряют жидкость, ранее введенную под давлением в приемник, для производства пара при определенном давлении и температуре. Затем этот пар расширяется в паровой турбине, следуя общим принципам любой термоэлектрической установки.

Когда установка работает в нормальном режиме, неорганические соли первоначально хранятся при температуре около 290ºC в большом изолированном резервуаре, который пытается поддерживать их при этой температуре.

Вертикальный центробежный насос перемещает соли из резервуара в приемник, расположенный наверху башни.

Жидкий теплоноситель, приводимый в движение насосами, перемещается из резервуара для холодной соли в приемник наверху башни, где температура увеличивается примерно до 560-600ºC. Там жидкость хранится, пока не будет использована для генерации пара.

Данная технология позволяет СТЭС обеспечить относительно равномерную генерацию электроэнергии на протяжении суток, независимо от интенсивности солнечных лучей.

Гелиостаты

Солнечное излучение улавливается плоскими зеркалами, смонтированными на подвижной конструкции.

Комплекс, образованный зеркалами, металлическими опорами и системами их ориентации, называется гелиостатом. Функция гелиостата в том, чтобы отражать солнечный свет, направляя его в принимающую точку на центральной башне.

Такие зеркала имеют коэффициент отражения примерно 95%.

На небольшой площади, занимаемой приемником, можно сконцентрировать примерно 98% попадающего на него излучения.

При инженерном проектировании СТЭС важно правильно выбрать несущую конструкцию, которая должна выдерживать вес двигателя и зеркал, обеспечивая беспрецедентную надежность при любых ветровых нагрузках.

Центральный приемник (башня)

Одним из ключевых компонентов башенных солнечных тепловых электростанций является полая коробка, расположенная в верхней части башни.

Из-за крайне высокой температуры и градиентов, тесно связанных с характеристиками термодинамического цикла, нынешние исследования в основном сосредоточены на выборе материалов и оптимальном расположении приемника.

Центральный приемник отвечает за преобразование энергии солнечного излучения в тепловую энергию. В нем используется серия трубок, охлаждаемых жидким теплоносителем, в которые будет передана часть поглощенной энергии. Трубки, как правило, металлические, обычно изготавливаются из нержавеющей стали, а снаружи они имеют селективное покрытие, способное поглощать значительную часть излучения в видимом и ультрафиолетовом спектре и минимально излучать в инфракрасном спектре.

Преимущества башенных СТЭС

Преимущества башенных установок с теплоаккумулятором заключаются в высокой гибкости, управляемости и надежности таких установок.

Среди преимуществ, которые они предлагают по сравнению с другими солнечными технологиями, можно выделить следующие:

• Возможность хранения большого количества энергии.

• Использование одного и того же теплоносителя для получения и хранения энергии, что упрощает систему и улучшает экономические показатели объекта.

• Высокая температура теплоносителя по сравнению с альтернативными технологиями, что способствует существенному повышению эффективности пароводяного цикла.

• Жидкий теплоноситель (расплавленные соли) циркулирует через четко ограниченную область с более высокой эффективностью, чем в параболических системах.

• Слив HTF из трубопроводов осуществляется самотеком, когда установка не работает, без необходимости в установке дополнительного насосного оборудования.

Ярким примером башенной СТЭС является электростанция Нур Уарзазат (Noor Ouarzazate CSP), которая поэтапно вводится в эксплуатацию с 2016 года.

Это самая большая на планете электростанция данного типа, которая была спроектирована для экстремальных условий пустыни.

Солнечные тепловые электростанции для хранения энергии

Одна из серьезных проблем возобновляемой энергетики, в которой используют методы, в значительной степени зависящие от погодных условий — сложность получения энергии в определенные моменты времени, когда она необходима.

Генерация происходит при благоприятных условиях, а не на пике потребления.

Как только электрическая энергия поступает в электросеть, она должна немедленно потребляться. Поскольку хранить электрическую энергию как таковую крайне дорого, поэтому в идеале производство и потребление должны совпадать.

Эту проблему можно было бы решить, если бы энергия могла вырабатываться при благоприятных условиях и потребляться при необходимости.

Это означает строительство «хранилища» энергии, который позволяет согласовывать ритмы производства и спроса.

Поскольку накопление электрической энергии в больших масштабах представляет собой ряд проблем, которые наука еще не решила, традиционно применяются другие виды накопления энергии с использованием, например, разницы давления или температуры.

Например, гидроаккумулирующие электростанции прибегают к хранению запруженной воды, чтобы осушать водохранилища и использовать воду в наиболее подходящее время.

Технологии хранения энергии в гелиотермальной энергетике

В солнечных тепловых электростанциях используются различные возможности хранения, но энергия всегда запасается в форме тепла для дальнейшего производства электричества.

Хотя изучаются другие возможности, технология, которая считается зрелой и успешно прошла испытания на некоторых существующих СТЭС — это хранение энергии с использованием расплавленных неорганических солей.

Таблица: некоторые технологии для хранения тепловой энергии.

Технология	Краткое описание
Хранение горячего теплоносителя (HTF)	Эта технология была успешно испытана на американской электростанции SEGS I с большим резервуаром, в котором хранился HTF из солнечного поля. После сильного пожара, который практически уничтожил объект, было обнаружено, что хранение горючего вещества при высоких температурах нецелесообразно. Кроме того, стоимость теплоносителя намного выше, чем неорганических солей.
Хранение тепловой энергии в горячем затвердевшем бетоне	Горячая жидкость может нагревать большую массу затвердевшего бетона через трубопроводы, предназначенные для этой цели. При необходимости холодная жидкость, вода, пар или HTF подаются по тем же каналам, так что тепловая энергия, хранящаяся в бетоне, возвращается к жидкости.
Хранение в виде скрытой теплоты затвердевания неорганических солей.	Важным преимуществом технологии является то, что соли не нужно постоянно перекачивать по трубопроводу. Это снижает расходы на эксплуатацию. Количество соли, необходимой для хранения энергии, относительно небольшое.
Хранение энергии в виде расплавленных солей	Некоторые объекты используют технологию хранения энергии с использованием расплавленных солей в одном резервуаре, так что холодные и горячие соли разделяются благодаря разнице в их плотности.

Инженеры используют инновационные технологии и материалы, которые сводят к минимуму теплопотери и обеспечивают эффективную передачу энергии для производства электрической энергии на всех этапах технологического процесса.

Гибридизация гелиотермальных установок с ископаемым топливом

Сегодня чрезвычайно сложно делать надежный прогноз погоды и прогнозировать выработку электроэнергии солнечной тепловой электростанцией.

С самого начала строительства первых электростанций SEGS в Калифорнии исследуется возможность включения в систему вспомогательного котла на ископаемом топливе.

Хранить электрическую энергию в больших количествах сложно, поэтому производство и потребление энергии должны точно совпадать по времени. В противном случае возникат определенные дисбалансы в электросети, которые могут привести к отключению электроснабжения отдельных предприятий и целых регионов.

Хотя некоторые эксперты считают, что солнечные тепловые электростанции обязательно должны иметь систему хранения тепла, которая позволяла бы регулировать производство независимо от интенсивности солнечного излучения, это слишком дорого.

Интеграция вспомогательного котла, который работает на природном газе или же биомассе, предусмотрена в действующих нормах Испании и ряда других стран. То есть предполагается, что СТЭС должны быть максимально независимыми от природных условий. Более того, котлы обеспечивают необходимое тепло для предотвращения замерзания теплоносителя, которая составляет около +12ºC.

Преимущества гибридизации с биомассой

Солнечные тепловые электростанции без оборудования для аккумулирования тепла и без вспомогательного котла на природном газе могут работать от 2000 до 3000 эквивалентных часов ежегодно, то есть порядка 60-75% часов в году установки стоят без дела.

Многомиллионные инвестиции простаивают, хотя существуют жизнеспособные способы вырабатывать электроэнергию из других источников. Энергетические объекты, строящиеся в районах с развитым сельским хозяйством, могут использовать сжигание биомассы.

Оборудование СТЭС котлом, работающим на биомассе, представляет собой безусловно привлекательную возможность для инвесторов в Южной Европе и других частях планеты.

Преимущества гибридизации с комбинированным циклом

Солнечные тепловые электростанции во многих случаях работают с применением хорошо известного теплового цикла Ренкина.

Конечно, как только излучение было преобразовано в потенциальную энергию горячего пара, его легко смешать с паром, генерируемым из дополнительных источников, и совместно привести в действие турбину.

Установки, способные смешивать пар, генерируемый с помощью солнечного поля и с помощью котла-утилизатора выхлопных газов газовой турбины, называются электростанциями ISCC (Integrated Solar Combined Cycle).

Ископаемое топливо имеет много недостатков, зато у ISCC есть два важных преимущества. Это невысокая стоимость производства электроэнергии, и возможность плавной регуляции мощности в любое время, чтобы соответствовать текущей нагрузке.

Инжиниринговые услуги обычно включают поставки оборудования для солнечных тепловых электростанций, инженерное проектирование и строительство СТЭС под ключ по EPC контрактам.

Свяжитесь с нашими представителями, чтобы узнать больше о наших услугах финансирования и реализации проектов.