Нови топлоносители и въздушна преграда компенсират загубите на топлина
Учените изследват нов керамичен материал за пренос на топлина, включващ концепция за електроцентрала и въздушна преграда за топлоизолация на приемника, за да се компенсират конвективните загуби на топлина.
Слънчевите топлоелектрически централи работят толкова по-ефективно, колкото по-високи са температурите в приемника. Конвективните загуби на топлина също играят важна роля за производителността. В рамките на съвместния проект HelioGLOW Институтът за слънчеви енергийни системи Fraunhofer ISE и индустриални партньори се занимават с тези предизвикателства. Екипът на проекта изследва нов керамичен материал за пренос на топлина, включително концепция за електроцентрала, както и въздушна преграда за топлоизолация на приемника. По-нататъшното развитие на хелиостата Stellio отчита тенденцията за оптимизиране на производствените процеси. Резултатите от проекта, финансиран от Федералното министерство на икономиката и опазването на климата на Германия, са представени в публикувания вече окончателен доклад.
Конвенционалните електроцентрали със слънчева кула работят с разтопена сол като топлоносител, като граничната температура е 600 градуса по Целзий, в противен случай поради корозивността на солта възникват повреди. В проекта HelioGLOW екипът използва топлоносител, състоящ се от твърди частици, което позволява работните температури да бъдат увеличени до над 1000 градуса по Целзий и значително увеличава ефективността. В разработения процес топлоносителите се движат в приемника като на въртележка и се нагряват директно. За тази цел Kraftblock GmbH разработи иновативни керамични ресиверни елементи, чийто некорозионен и екологичен материал се характеризира с висок капацитет за съхранение на топлина. Произведен чрез процес на рециклиране, керамичният материал е и евтин.
Материалът е окачествен по отношение на температурното развитие и стабилността в изпитвателен стенд във Fraunhofer ISE, а след това е тестван в слънчевия симулатор в Института за енергийни изследвания IMDEA в Мадрид. Въз основа на резултатите от измерванията екипът на проекта успява да оцени поведението на материала под въздействието на силно концентрирана слънчева енергия. „Следващата цел е да доразвием ресиверния материал, така че енергията да се отвежда по-дълбоко в тялото“, обяснява д-р Грегор Берн, ръководител на групата за концентриращи системи и технологии във Fraunhofer ISE.
Тъй като при новия приемник радиационният преобразувател, топлоносителят и материалът за съхранение са обединени в едно цяло, разходите за изграждане на електроцентралата се намаляват. Отпадат ограниченията, свързани със съпротивлението при пренос на топлина и плътността на потока, характерни за конвенционалните тръбни приемници. Постигнатите по-високи температури, които се поддържат по-добре дори при променливо слънчево греене, също намаляват разходите за производство на соларна топлинна енергия.
Въздушната преграда намалява загубите на топлина с 30%
Един от проблемите при електроцентралите със слънчева кула е конвективната загуба на топлина, която се проявява при високи температури и висока концентрация на слънчева светлина и намалява ефективността. Докато въздухът в приемника достига температури над 600 градуса по Целзий, температурата на околния въздух обикновено е в диапазона от 30 до 40 градуса по Целзий. Когато преминава покрай приемника, по-хладният въздух поглъща неговата топлина. Един от начините за разделяне на различните обеми въздух е да се използват прозорци от кварцово стъкло, но те не са налични в необходимия размер.
Затова Fraunhofer ISE изпробва идеята за „въздушна преграда“, образувана от мощни дюзи в отвора на приемника, която води до разделяне на въздушните обеми. „Досега е имало само симулации на това решение, но технологията никога не е била демонстрирана в сектора на електроцентралите“, обяснява Мориц Битерлинг, научен сътрудник в екипа на проекта Fraunhofer ISE. В тестова инсталация в реален мащаб, оборудвана с около 50 температурни сензора, екипът симулира приемник с нагревателни елементи с температура 600 градуса по Целзий. За целите на проекта индустриалният партньор Luftwandtechnik GmbH разработва специална система от въздушни прегради и я инсталира в изпитвателния стенд на приемника във Fraunhofer ISE във Фрайбург. В тестовата конфигурация се измерват конвективните топлинни загуби със и без въздушна преграда и мощността на нагряване, необходима за достигане на 600 градуса по Целзий. В сътрудничество с Luftwandtechnik GmbH са определени подходящи работни параметри, като ъгълът на дюзите на въздушната преграда и изходната скорост на въздуха. В резултат на това конвективните топлинни загуби на приемника могат да бъдат намалени с 30%. Технологията може да се използва и в други отрасли с високотемпературни процеси. Там изолирането на големи температурни разлики, например при доменните пещи, може да намали загубите. Партньорите по проекта искат да проверят това в последващи проекти.
Бъдещо развитие на хелиостатите и електроцентралата като цяло
При производството на соларна електроенергия тенденцията е към по-малки куполни електроцентрали. Затова Fraunhofer ISE подкрепя компанията sbp sonne GmbH в по-нататъшното развитие на хелиостата Stellio като част от HelioGLOW. Целта е да се намалят допълнително разходите чрез оптимизиране на конструкцията на пилона и адаптирането ѝ към изискванията на малките куполни електроцентрали. Fraunhofer ISE извършва измервания на хелиостата с помощта на 3D лазерно сканиране и тества метода за бързо измерване на хелиостати в полеви условия. Използвайки дефлектометрични измервания на огледалните повърхности в лабораторията, екипът анализира ефектите от деформацията при специфични сценарии на натоварване.
От всички споменати компоненти във Fraunhofer ISE е разработена цялостна концепция, която интегрира приемника, състоящ се от топлоносител с твърди частици и въздушна преграда, както и оптимизирания хелиостат Stellio в соларна електроцентрала. Цялата система е моделирана и изследвана в термохидравличния симулатор ColSim CSP, след което е оценена от технико-икономическа гледна точка. По този начин могат да се разширят съществуващите технико-икономически модели и да се определят оптималният дизайн и оперативното управление на дадена електроцентрала с новите компоненти.
Снимки: Fraunhofer ISE