Prototyp małej elektrowni wykorzystującej skoncentrowaną energię słoneczną
Systemy wykorzystujące skoncentrowaną energię słoneczną opierają się na lustrach lub soczewkach, które skupiają światło słoneczne na powierzchni odbiornika. Celem jest wytworzenie ciepła zasilającego turbiny wytwarzające energię elektryczną. Małe elektrownie oparte na takich rozwiązaniach, generujące dziesiątki lub setki kilowatów energii elektrycznej, mogą być doskonałym rozwiązaniem dla domów, małych przedsiębiorstw położonych poza gęsto zaludnionymi obszarami, a także krajów rozwijających się. W przeciwieństwie do rozwiązań opartych na panelach fotowoltaicznych, rozwój tej technologii przebiega bardzo powoli ze względu na wyzwania techniczne i wysokie koszty inwestycji. W ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu POLYPHEM powstały prototypy większości elementów niezbędnych do budowy niewielkiej elektrowni słonecznej, a niektóre z nich są już gotowe do wprowadzenia na rynek. Zespół projektu opracował także narzędzia modelowania numerycznego, które pozwolą na optymalizację projektów instalacji i przeprowadzenie ocen wydajności gotowego rozwiązania. „Jesteśmy bardzo dumni z możliwości naszego prototypu, który już teraz pozwala na elastyczne dostosowanie ilości wytwarzanej energii słonecznej w sytuacjach zmiennej podaży i zmiennego zapotrzebowania”, mówi Alain Ferriere, koordynator projektu POLYPHEM.
Hybrydowy cykl termodynamiczny
Rozwiązanie opracowane w ramach projektu POLYPHEM opiera się na połączonym cyklu termodynamicznym. W górnym obiegu wysokotemperaturowy ciśnieniowy odbiornik solarny umieszczony na szczycie konstrukcji przechwytuje skupione przy pomocy lustra promienie słoneczne, które zasilają turbinę gazową w celu wytworzenia energii elektrycznej. Ciepło spalin jest odzyskiwane przez specjalny olej, który znajduje się w betonowym zbiorniku. Gorący olej na górze spycha termoklinę – strefę pośrednią oddzielającą ciepłą i zimną ciecz – w dół. Dolny obieg wykorzystuje maszynę opartą na organicznym cyklu Rankine’a, która również wytwarza energię elektryczną. W tym miejscu ciepło odprowadzane ze zbiornika odwraca przepływ oleju, w związku z czym termoklina przemieszcza się w kierunku górnych warstw. „Pojedynczy zbiornik termoklinowy, który łączy oba obiegi, jest znacznie tańszy niż konwencjonalny system oparty na dwóch zbiornikach. Co więcej, rozwiązanie oparte na dwóch obiegach pozwala elektrowni wytwarzać energię elektryczną w okresach słabego nasłonecznienia, co zwiększa jej wydajność”, dodaje Ferriere, przedstawiciel Narodowego Ośrodka Badań Naukowych (CNRS), instytucji pełniącej rolę gospodarza projektu.
Prototypowanie i testowanie
Zespół opracował większość elementów wymaganych w celu budowy elektrowni, w tym turbinę gazową o mocy 60 kilowatów oraz maszynę opartą na organicznym cyklu Rankine’a o mocy 23 kilowatów. Zaprojektowany przez badaczy magazyn energii cieplnej, który pozwala na uzyskanie nawet 2 500 kilowatogodzin energii, zawierał 22,8 ton cegieł wykonanych z betonu oraz zawierał 7 600 kilogramów syntetycznego oleju osiągającego temperatury od 110 do 330 stopni Celsjusza. Konstrukcja odbiornika solarnego została oparta na materiałach metalicznych, które były testowane w przeszłości przez CNRS oraz CEA. Wszystkie elementy, z wyjątkiem odbiornika solarnego i turbiny gazowej, zostały wysłane do Francji i zainstalowane w zakładzie spółki bit.ly/3XvlyW5 (Themis). Mikroturbina gazowa i generator były testowane przez sześć miesięcy. Łącznie przepracowały przeszło 40 godzin, a w ramach testów udało się osiągnąć temperaturę wlotu na poziomie 700 stopni Celsjusza i prędkość obrotową sięgającą 52 000 obrotów na minutę. Wypełnienie magazynu termicznego zostało pomyślnie przetestowane w zbiorniku termoklinowym wypełnionym olejem przez okres pięciu miesięcy, w czasie którego odbyło się 59 prób. W ramach testów zweryfikowano działanie wykorzystanego materiału, konstrukcję cegieł oraz warianty wypełnienia, a także sposób zachowania termokliny we wszystkich trybach pracy. „Z przyczyn technicznych nie było możliwe przekazanie odbiornika solarnego, w związku z czym nie byliśmy w stanie zrealizować testów całej elektrowni”, wyjaśnia Ferriere. „Mimo tych trudności inne elementy instalacji są gotowe do wprowadzenia na rynek, na przykład wymiennik ciepła typu gaz-ciecz, który stanowi kompaktowy element gotowy do montażu w innych systemach”.
Wejście na rynek
Rozwiązanie opracowane w ramach projektu POLYPHEM może stanowić źródło energii elektrycznej, a także ciepła i czystej wody, między innymi w dobrze nasłonecznionych miejscach charakteryzujących się decentralizacją źródeł energii. W ramach prac związanych z projektem badacze przeprowadzili wyliczenia i symulacje dotyczące komercyjnej instalacji rozwiązania POLYPHEM w Chile i Namibii. „Koszt wytworzenia energii elektrycznej przy pomocy instalacji POLYPHEM był o 35 % do 45 % niższy od konkurencyjnych generatorów opartych na silnikach wysokoprężnych. Skuteczne konkurowanie z systemami opartymi na panelach fotowoltaicznych, których koszty stanowią zaledwie jedną trzecią kosztów naszego rozwiązania, wymaga znaczącego ograniczenia kosztów inwestycji w skoncentrowaną energię elektryczną”, podsumowuje Ferriere. Zespół zamierza teraz zbudować i obsługiwać kompletną prototypową instalację, w tym pole słoneczne i wieżę o docelowych rozmiarach.
Słowa kluczowe
POLYPHEM, energia elektryczna, turbina, generator, termoklina, olej, słoneczna, termodynamika, fotowoltaika
