4.3. Konzentrierende Kollektoren
Линзовые системы в настоящее время используются в большем масштабе только в концентрированной фотоэлектрике. От концентрированной солнечной тепловой энергетики их отделили по соображениям экономики. Здесь обычно применяют рефлекторные концентраторы.
Рефлектор, который концентрирует солнечные лучи на фокальной линии или точке, обычно имеет форму параболы. В круглой форме рефлектора солнечный свет не сконцентрирован в одну точку. Зеркала из стекла доказали на практике длительный срок службы. Отражатель должен быть отрегулирован таким образом, чтобы солнечные лучи всегда падали перпендикулярно на апертуру. Принципиальное различие между одноосевой и двухосевой системой слежения. Одноосевая система слежения концентрирует солнечные лучи на абсорбер в фокус, двухосевая - на центральную часть абсорбера в непосредственной окрестности фокуса. Слежение может быть сделано либо при помощи датчика, который определяет оптимальную ориентацию по солнцу, или вычислением положения солнца компьютером.
4.3.1. Linienkollektoren
4.3.1.1 Kollektorarten und Kollektorgeometrie
Линейные концентраторы обычно выполняют в виде собранных параболических желобов, которые концентрируют солнечный свет на трубы абсорбера. Концентраторы либо закрыты, либо распределены. В случае, если концентратор нацелен на оптимальную позицию в трубу абсорбера, это называют коллектором Френеля. (рис. 4.4.).
В коммерческих объектах до сих пор используется, главным образом, параболические коллекторы. Коллекторы Френеля так-же получили массовое производство. Специально для солнечных тепловых электростанций были построены большие количества параболических коллекторов. Рисунок 4.6. показывает параболические коллекторы в Испании. Таблица 4.1. представляет технические данные различных коммерческих параболических коллекторов.
Форма желоба параболического коллектора с фокусным расстоянием f и расширением коллектора в x- и y- координатах можно рассматривать в целом
как показывает рисунок 4.7.
4.3.2 Clausius-Rankine Prozess (Клаузиус Ренкин)
Реальный термодинамический цикл это процесс Клаузиуса Ренкина (рис. 4.15.). Он используется в паровых электростанциях и является наиболее важным процессом тепловых электростанций для выработки электроэнергии. Рабочим телом данного процесса является вода. Она подогревается под давлением (a-b), а затем испаряется (b-c). Температура испарения зависит от давления. При давлении 100 бар или 10000 кПа, температура испарения, составляет 311° C или 584,1 К. Пар дополнительно перегривается (c-d). В паровой турбине пар расширяется (d-e) и дает механическую энергию, которая дает возможность привести в действие электрический генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Генераторы более подробно описаны в главе 6 (энергия ветра).
Замкнутый контур может расширять пар до давления окружающей среды, тем самым увеличивая эффективность. Типичное давление конденсации лежит ниже 100 мбар или 10 кПа. При 100 мбар температура конденсации пара составляет 46° C или 319 К.
Рисунок 4.15 схематичное изображение процесса Клаузиуса Ренкина (паротурбинный процесс)
Конденсатор отводит низкопотенциальное тепло Qab ab и конденсирует пар в жидкую фазу (e-f). Тепловыделение может быть воспринято холодной речной водой или морской водой или при помоши сухих или мокрых градирен. Чем ниже температура охлаждения, тем более низкое давление может быть достигнуто в конденсаторе, и, таким образом, достичь более высокую эффективность. Питательный насос нагнетает воду до давления котла (f-a), тем самым замыкая цикл. Для этого насосу требуется значительная часть электрической энергии, вырабатываемой ранее.
Рисунок 4.16 p-V диаграмма цикла Ренкина
Рисунок 4.16 показывает процесс цикла Ренкина в p-V диаграмме. Питательный насос поднимает воду до давления (f-a). При этом вода при давлении p, изобарно нагревается, воспринимая тепло Qzu (a-b), выпаривается (b-c) и перегревается (c-d), в результате чего объем V значительно увеличивается. Переходная область жидкость-газ, так называемая областью влажного пара, может быть описана диаграммой, проведенной в пограничной кривой. Во время расширения в турбине, давление падает на ab (d-e). В конденсаторе, пар снова конденсируется при том же давлении до жидкости (e-f), в результате чего объем снова значительно уменьшается.
В дополнение к известным физическим величинам, таким как давление, объем и температура, в термодинамике используют дополнительный параметр состояния, энтропия S. Энтропию не измерить непосредственно. Она описывает обратимость процесса. При подведении энергии или тепла, в системе возрастает энтропия. После отведения тепла, напротив, уменьшается энтропия. Изменение энтропии dS всегда связано с изменением тепла dQ при заданной температуре T:
Единица измерения энтропии Дж/К, нулевая точка может быть выбрана произвольно. В термодинамике так же используется специфическая удельная массовая энтропия s. Рисунок 4.17 показывает процесс цикла Ренкина в T-S диаграмме. Область влажного пара, т.е область перехода от жидкости к газу, может быть также отделена кривой на этом графике.
Рисунок 4.17. T-S диаграмма процесса цикла Ренкина.
Нагрев (a-b) происходит по пограничной кривой. В этом случае тепло подается и энтропия S возрастает. Испарение (b-c) происходит при постоянной температуре. Во время следующего перегрева (c-d), температура продолжает расти. Здесь так-же подается тепло, в результате чего энтропия возрастает. В идеале, в паровой турбине, процесс изоэнтропный, т.е при постоянной энтропии. Это будет представлено вертикальной линией в диаграмме T-S. В связи с необратимым расширением в реальных процессах немного увеличивается энтропия (d-e). При последующей конденсации тепло удаляется, так что энтропия снова уменьшается (e-f). При изоэнтропном сжатии при помощи водяного насоса не изменяется ни температура, ни энтропия. Поэтому точки a и f совпадают в диаграмме T-S.
Прилагаемой области цикла в диаграмме T-S соответствует механическая энергия |W|, площадь под которой – процесс потери тепла Qab. Так как подведенное тепло Qzu включает в себя сумму обеих площадей, можно получить КПД из отношения выделенной области к общей площади на T-S диаграмме. Для увеличения эффективности выделенная площадь должна быть увеличена.
Поскольку нижний уровень температуры определяется охлаждением и может быть изменен незначительно, повышение эффективности, главным образом, может быть достигнуто более высокими температурами и давлением. При более высоких давлениях, испарение до (b-c) сдвигается в сторону более высоких температур. При 200 бар температура повышается до 365,7 °C или 639 К. Свыше 220 бар испарение происходит в критической области. Здесь пар получается без типичного кипения непосредственно в пар. Перегрев и при более высоких температурах увеличивает эффективность. Для очень высоких температур и давлений, однако, необходимы очень дорогие сплавы и стали. Повышение эффективности может стоить высокой цены. В то время как при давлении 167 бар и температуре 538 °C, может быть достигнута эффективность 42%, при 300 бар и 720 °C можно увеличить до 47,5%. В обычных угольных электростанциях сокращение выбросов CO2 за счет повышения эффективности сильно ограничено.
Солнечные термические параболические коллекторы электростанций работают на гораздо более низких температурах. При давлении 100 бар и температуре 371 °C, эффективность тепловых турбин может достигать 38%. Следующие дополнительные технические меры уже применяются для повышения эффективности. Между ступенями сжатия в турбине происходит промежуточный нагрев. Кроме того турбина выполнена в две части, как последовательная серия турбин высокого и низкого давления. Между частью высокого и низкого давления присутствует промежуточный нагрев, что увеличивает выделенную область в диаграмме TS. Дальнейшее увеличение можно ожидать при более высоких температурах процесса за счет прямого нагрева солнечными лучами желобов коллекторов или использовании башенных солнечных электростанций. Несмотря на все технические сложности, самым слабым звеном в эффективности солнечной электростанции является процесс преобразования тепла в электричество.