Pređi na sadržaj

Solarni kolektor na bazi čestica

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Solarni toranj koji koristi solarni kolektor na bazi čestica u Albukerkiju, Novi Meksiko

Solarni kolektor na bazi čestica je objekat postavljen na vrhu solarnog tornja na čijoj se površini solarna energija koncentruje pomoću velikog broja ogledala zvanih heliostati. Cilj je da se solarna energija transformiše u toplotu koja se može koristiti u toplotnom procesu, termohemijskom procesu, ili u toplotnom motoru za proizvodnju električne energije u solarnoj termoelektrani. Da bi se to postiglo, potrebno je u solarnom kolektoru zagrejati materijal za prenos toplote, direktno ili indirektno, koristeći koncentrovanu solarnu energiju (CSP) pre nego što napusti kolektor na višoj temperaturi. Za razliku od solarnih kolektora koji se koriste u konvencionalnim solarnim termoelektranama koje koriste rastopljene soli kao medijum za prenos toplote koji se zagreva indirektno strujanjem kroz metalne cevi koje su izložene koncentrovanoj solarnoj energiji, solarni kolektori na bazi čestica koriste čestice koje se, u zavisnosti od tehnologije, mogu zagrevati direktno ili indirektno.[1][2]

Jedna od glavnih prednosti korišćenja čestica kao medijuma za prenos toplote je mogućnost direktnog zagrevanja, gde su čestice direktno izložene solarnom zračenju, čime se izbegavaju problemi vezani za neravnomerno zagrevanje cevi.[3] Takođe, mogućnost dostizanja temperatura iznad 1000°S[1] omogućava korišćenje Brajtonovog ciklusa koji kao radni fluid koristi superkritični ugljen-dioksid koji ima veću efikasnost u poređenju sa parnim Rankinovim ciklusom koji se koristi u konvencionalnim solarnim termoelektranama koje imaju maksimalnu temperaturnu granicu od 565 °S zbog problema vezanih za termičku stabilnost rastopljenih soli.[2][4][5]

Direktno zagrevani solarni kolektor[uredi | uredi izvor]

Kolektor sa slobodno-padajućim česticama[uredi | uredi izvor]

Ova tehnologija se zasniva na slobodno padajućoj zavesi čestica unutar solarnog kolektora koja apsorbuje koncentrisano solarno zračenje. Ideja o korišćenju padajućih čestica zagrevanih pomoću kocentrovane solarne energije za dobijanje toplote na visokoj temperaturi za korišćenje u toplotnom motoru ili hemijskom procesu potiče iz pionirskog rada koji su Martin i Vitko izveli početkom 1980-ih u Nacionalnim laboratorijama Sandija (Sandia National Laboratories).[6][7] Međutim, prvi korak ka demonstraciji koncepta u većim razmerama izveden je 2009. godine u Nacionalnom Postrojenju za Testiranje Solarno Termalne Energije (National Solar Thermal Test Facility) u Albukerkiju, Novi Meksiko, gde je prototip solarnog kolektora na bazi čestica postavljen na vrh solarnog tornja visokog 61 m sa solarnim poljem koje je moglo da obezbedi 5 MW termalnih. Ovi testovi su rezultirali efikasnošću prijemnika od oko 50% i maksimalnim povećanjem temperature čestica od oko 250°S.[8] Opsežnija ispitivanja su sprovedena 2015. godine korišćenjem prijemnika od 1 MW termalnog koji ima otvor 1 sa 1 metar kroz koji sunčevo zračenje ulazi u unutrašnjost kolektora. Efikasnost prijemnika se kretala od 50% do 80%, a temperatura čestica na dnu prijemnika je u nekim slučajevima dostizala 700°S.[9]

Merenje transmisivnosti na slobodno padajućoj zavesi čestica u decembru 2014 u Nacionalnom Postrojenju za Testiranje Solarno Termalne Energije

Ograničenje maksimalne temperature rastopljenih soli koje se koriste u konvencionalnim solarnim termoelektranama dovelo je do radionice koju je organizovalo Ministarstvo energetike Sjedinjenih Država (DOE) u avgustu 2016. godine na kojoj su identifikovana tri moguća puta za sledeću generaciju CSP termoelektrana zasnovanih na sledećim medijumima za prenos toplote: rastopljene soli, čestice i gasoviti fluid.[2] Ovo je dovelo do programa finansiranja (Generation 3 Concentrating Solar Power Systems) koji je počeo 15. maja 2018. godine kada je DOE najavio svoju nameru da obezbedi 72 miliona dolara za projekat gde će se tri tima takmičiti u izgradnji sistema integrisanog sa skladištem toplotne energije koji je sposoban da efikasno prikupi i prenese solarnu energiju radnom fluidu toplotnog motora na temperaturama iznad 700°S.[10] Dana 25. marta 2021. DOE je objavio da je solarni kolektor na bazi čestica najperspektivnija tehnologija za postizanje cilja za 2030. gde bi cena proizvedene električne energije u solarnim termoelektranama bila 0,05 $/kWh i dodelio Nacionalnim laboratorijama Sandija 25 miliona dolara za izgradnju, testiranje i rad pilot postrojenja koje koristi solarni kolektor na bazi čestica za koje se očekuje da će biti završeno do kraja 2024.[11][12]

Solarni kolektor sa preprekama[uredi | uredi izvor]

Ideja o postavljanju prepreka koje usporavaju padanje čestica uz zadržavanje koncepta direktnog zagrevanja motivisana je prednostima kao što su činjenica da je usporavanjem čestica moguće povećati efikasnost solarnog kolektora putem povećanja neprozirnosti zavese čestica, i smanjenje gubitka čestica kroz otvor solarnog kolektora. Rani testovi ovog koncepta su sprovedeni u Sandiji tokom 1980-ih, ali nijedna analitička ili eksperimentalna studija nije objavljena do 2010-ih. Eksperimenti sprovedeni u Sandiji 2015. koristeći porozne strukture u obliku obrnutog latiničnog slova V su poboljšali zagrevanje čestica i smanjili njihov gubitak kroz otvor kolektora. Međutim, postojali su problemi vezani za direktnu izloženost nerđajućeg čelika 316, koji se koristi za izgradnju ovih poroznih struktura, koncentrovanom sunčevom zračenju i njegovom habanju usled strujanja čestica preko njega.[1][9] Drugi dizajn predlaže da se koristi spiralna rampa preko koje teku čestice usled kombinovanog efekta gravitacije i mehanički izazvanih vibracija. Testovi su pokazali da je moguće postići temperaturu čestica od 650°S i efikasnost od oko 60%, ali ovaj dizajn zahteva dodatne optičke uređaje koji bi rezultirali dodatnim optičkim gubicima, a i bilo bi teško postići značajan protok korišćenjem ovog dizajna.[13]

Centrifugalni solarni kolektor[uredi | uredi izvor]

Centifugalni solarni kolektor instaliran u DLR-ovom postrojenju u Jilihu

Ovaj koncept se zasniva na rotirajućoj cilindričnoj šupljini koja može biti nagnuta u odnosu na horizontalni pravac. Usled rotacije, čestice formiraju tanak, ali neproziran sloj preko unutrašnje površine šupljine. Ove čestice se zatim zagrevaju koncentrovanom solarnom energijom dok se polako spuštaju duž aksijalnog pravca šupljine usled dejstva gravitacione sile.[14] Koncept je prvobitno predložio Flamant kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih, ali nije bilo daljeg razvoja sve dok Nemački vazduhoplovni i svemirski centar (DLR) nije počeo da radi na ovom konceptu početkom 2010-ih kada su počeli sa testiranjem prototipa u laboratorijskim razmerama.[15] Centrifugalni prijemnik od 15 kW termalnih je dizajniran, izgrađen i testiran u DLR postrojenju u Kelnu i rezultati su pokazali da je moguće postići temperaturu čestica preko 900°S. Međutim, zbog problema u merenju protoka čestica nije bilo moguće odrediti efikasnost kolektora.[14] U daljim eksperimentalnim aktivnostima dobijena je efikasnost od 75% i temperatura čestica od 900°S za fluks solarne enegije od od 670 kW/m2.[16] Od 2018. ovaj koncept solarnog kolektora je instaliran u DLR-ovom postrojenju u Jilihu.[17]

Fluidizovani solarni kolektor[uredi | uredi izvor]

Ovaj kolektor ima dva moguća principa rada. Prvi je predložio Flamant u isto vreme kada je predložio centrifugalni kolektor i zasnovan je na providnom zidu od silicijum dioksida kroz koji prolazi koncentrisano sunčevo zračenje i zagreva čestice koje se suspenduju pomoću kompresovanog vazduha. Cilj je bio zagrevanje suspendovanih čestica kako bi se izvršila dekarbonizacija CaCO3 i samim tim konverzija sunčeve energije u termohemijsku. Sprovedena ispitivanja su pokazala da je moguće postići temperaturu čestica iznad 1200°S.[18] Drugi princip rada je predložio Hant krajem 1970-ih i zasniva se na ubrizgavanju veoma malih čestica unutar struje kompresovanog vazduha koje apsorbuju koncentrovano sunčevo zračenje i zbog svoje velike površine tu toplotu odmah prenose na okolni vazduh. Zagrevanje smeše se vrši sve dok čestice ne ispare, a zatim se vazduh šalje u Brajtonov ciklus da proizvodi električnu energiju.[19]

Indirektno zagrevani solarni kolektor[uredi | uredi izvor]

Solarni kolektor sa kućištem[uredi | uredi izvor]

Ovaj koncept solarnog kolektora se sastoji od kućišta sa horizontalnim cevima čija spoljna strana se nalazi unutar unutar kućišta, dok je unutrašnja strana ozračena koncentrovanim sunčevim zračenjem. Ideja je da se čestice zagrevaju dok teku dole unutar kućišta zbog gravitacione sile i oko raspoređenog niza cevi. Testovi su pokazali da je prenos toplote između čestica i cevi smanjen u oblastima gde su čestice izgubile kontakt sa cevima, međutim nisu objavljeni podaci o temperaturama i efikasnosti. Prednosti ovog koncepta uključuju odsustvo gubitka čestica usled prisustva kućišta, ali problemi u vezi sa termičkim naprezanjima na kućištu mogu nastati usled indirektnog zagrevanja čestica.[1]

Fluidizovani solarni kolektor sa cevima[uredi | uredi izvor]

Ovaj koncept je sličan onom kod direktno zagrevanog fluidizovanog kolektora, jedina razlika je što sada cevi nisu providne i čestice se zagrevaju indirektno od strane metalnih cevi. Flamant je predložio i demonstrirao ovaj koncept i dobio temperature suspenzije do 750°S, ali nije objavio efikasnost. Mogući problemi vezani sa ovom idejom uključuju potrošnju električne energije za fluidizaciju čestica u kolektoru i žarišne tačke i visoke površinske temperature koje mogu povećati toplotne gubitke.[1]

Odabir čestica[uredi | uredi izvor]

Čestice boksita

Važan faktor kod određivanja performansi solarnog kolektora i ekonomske isplativosti celog postrojenja je vrsta čestica koje se koriste. Željene osobine uključuju nisku cenu, visoku termičku stabilnost, i u slučaju direktno zagrevanih kolektora, optička svojstva. Prirodni materijali se razmatraju zbog svoje niske cene, ali treba obratiti pažnju i na kompozitne materijale koji se mogu formulisati tako da poboljšaju željena svojstva iako imaju veću cenu. Kako u direktno zagrevanim kolektorima čestice služe kao solarni apsorberi, njihova optička svojstva postaju presudna u proceni performansi solarnog kolektora. Pokazalo se da je povećanje solarne apsorpcije važnije od smanjenja toplotne emisivnosti, što znači da se čestice sa visokom emisivnošću i dalje mogu smatrati dobrim kandidatom iako imaju visoku apsorptivnost, ali čestice koje imaju nisku apsorpciju ne mogu se smatrati dobrim kandidatima čak iako imaju nisku emisivnost.[20] Sinterovane čestice boksita imaju visoku solarnu apsorpciju, a pokazalo se da i pored određene degradacije usled dužeg zagrevanja, mogu da je održe iznad 90%.[21] Takođe se pokazalo da su one najtrajnije među ostalim kandidatima.[22] Zbog toga je zaključeno da su one najbolji kandidat za upotrebu u direktno zagrevanim solarnim kolektorima na bazi čestica. Između ostalog, sredstvo za livenje srednje gustine „Accucast“ se koristi u Sanidijinom Nacionalnom Postrojenju za Testiranje Solarno Termalne Energije.[23]

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b v g d Ho, Clifford K. (2016-10-25). „A review of high-temperature particle receivers for concentrating solar power”. Applied Thermal Engineering. Special Issue: Solar Energy Research Institute for India and the United States (SERIIUS) – Concentrated Solar Power (na jeziku: engleski). 109: 958—969. ISSN 1359-4311. doi:10.1016/j.applthermaleng.2016.04.103. 
  2. ^ a b v Mehos, Mark; Turchi, Craig; Vidal, Judith; Wagner, Michael; Ma, Zhiwen; Ho, Clifford; Kolb, William; Andraka, Charles; Kruizenga, Alan (2017-01-01). „Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap” (na jeziku: engleski). doi:10.2172/1338899. 
  3. ^ Marugán-Cruz, C.; Flores, O.; Santana, D.; García-Villalba, M. (2016-05-01). „Heat transfer and thermal stresses in a circular tube with a non-uniform heat flux”. International Journal of Heat and Mass Transfer (na jeziku: engleski). 96: 256—266. ISSN 0017-9310. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.01.035. 
  4. ^ Liu, Ming; Steven Tay, N. H.; Bell, Stuart; Belusko, Martin; Jacob, Rhys; Will, Geoffrey; Saman, Wasim; Bruno, Frank (2016-01-01). „Review on concentrating solar power plants and new developments in high temperature thermal energy storage technologies”. Renewable and Sustainable Energy Reviews (na jeziku: engleski). 53: 1411—1432. ISSN 1364-0321. doi:10.1016/j.rser.2015.09.026. 
  5. ^ Bauer, Thomas; Pfleger, Nicole; Laing, Doerte; Steinmann, Wolf-Dieter; Eck, Markus; Kaesche, Stefanie (2013-01-01), Lantelme, Frédéric; Groult, Henri, ur., „20 - High-Temperature Molten Salts for Solar Power Application”, Molten Salts Chemistry (na jeziku: engleski), Oxford: Elsevier, str. 415—438, ISBN 978-0-12-398538-5, doi:10.1016/b978-0-12-398538-5.00020-2, Pristupljeno 2023-07-04 
  6. ^ Martin, J.; Jr, Vitko J. (1982-01-01). „ASCUAS: a solar central receiver utilizing a solid thermal carrier” (na jeziku: engleski). doi:10.2172/5663779. 
  7. ^ Tan, Taide; Chen, Yitung (2010-01-01). „Review of study on solid particle solar receivers”. Renewable and Sustainable Energy Reviews (na jeziku: engleski). 14 (1): 265—276. ISSN 1364-0321. doi:10.1016/j.rser.2009.05.012. 
  8. ^ Siegel, Nathan P.; Ho, Clifford K.; Khalsa, Siri S.; Kolb, Gregory J. (2010-05-01). „Development and Evaluation of a Prototype Solid Particle Receiver: On-Sun Testing and Model Validation”. Journal of Solar Energy Engineering. 132 (2). ISSN 0199-6231. doi:10.1115/1.4001146. 
  9. ^ a b Ho, Clifford; Christian, Joshua; Yellowhair, Julius; Armijo, Kenneth; Kolb, William; Jeter, Sheldon; Golob, Matthew; Nguyen, Clayton. „Performance evaluation of a high-temperature falling particle receiver”. doi:10.1115/es2016-59238. 
  10. ^ „Generation 3 Concentrating Solar Power Systems (Gen3 CSP)”. Energy.gov (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2023-07-04. 
  11. ^ „Generation 3 Concentrating Solar Power Systems (Gen3 CSP) Phase 3 Project Selection”. Energy.gov (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2023-07-04. 
  12. ^ Kraemer, Susan (2023-02-18). „Sandia breaks ground on its Gen-3 particle-based CSP tech demo”. SolarPACES (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2023-07-04. 
  13. ^ Xiao, Gang; Guo, Kaikai; Ni, Mingjiang; Luo, Zhongyang; Cen, Kefa (2014-11-01). „Optical and thermal performance of a high-temperature spiral solar particle receiver”. Solar Energy (na jeziku: engleski). 109: 200—213. ISSN 0038-092X. doi:10.1016/j.solener.2014.08.037. 
  14. ^ a b Flamant, Gilles; Hernandez, Daniel; Bonet, Claude; Traverse, Jean-Pierre (1980-01-01). „Experimental aspects of the thermochemical conversion of solar energy; Decarbonation of CaCO3”. Solar Energy (na jeziku: engleski). 24 (4): 385—395. ISSN 0038-092X. doi:10.1016/0038-092X(80)90301-1. 
  15. ^ Wu, W.; Amsbeck, L.; Buck, R.; Uhlig, R.; Ritz-Paal, R. (2014). „Proof of Concept Test of a Centrifugal Particle Receiver”. Energy Procedia (na jeziku: engleski). 49: 560—568. doi:10.1016/j.egypro.2014.03.060. 
  16. ^ Wu, Wei; Trebing, David; Amsbeck, Lars; Buck, Reiner; Pitz-Paal, Robert (2015-08-01). „Prototype Testing of a Centrifugal Particle Receiver for High-Temperature Concentrating Solar Applications”. Journal of Solar Energy Engineering (na jeziku: engleski). 137 (4). ISSN 0199-6231. doi:10.1115/1.4030657. 
  17. ^ Center (DLR), Institute for Solar Research of the German Aerospace. „DLR - Institute of Solar Research - DLR's innovation CentRec® offers new cost reduction opportunities”. www.dlr.de (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2023-07-04. 
  18. ^ Flamant, Gilles; Hernandez, Daniel; Bonet, Claude; Traverse, Jean-Pierre (1980). „Experimental aspects of the thermochemical conversion of solar energy; Decarbonation of CaCO3”. Solar Energy (na jeziku: engleski). 24 (4): 385—395. doi:10.1016/0038-092X(80)90301-1. 
  19. ^ Hunt, A. J. (1979-04-01). „New solar thermal receiver utilizing a small particle heat exchanger” (na jeziku: engleski). 
  20. ^ Calderón, Alejandro; Barreneche, Camila; Palacios, Anabel; Segarra, Mercè; Prieto, Cristina; Rodriguez‐Sanchez, Alfonso; Fernández, Ana Inés (2019). „Review of solid particle materials for heat transfer fluid and thermal energy storage in solar thermal power plants”. Energy Storage (na jeziku: engleski). 1 (4). ISSN 2578-4862. doi:10.1002/est2.63. 
  21. ^ Siegel, Nathan P.; Gross, Michael D.; Coury, Robert (2015-08-01). „The Development of Direct Absorption and Storage Media for Falling Particle Solar Central Receivers”. Journal of Solar Energy Engineering (na jeziku: engleski). 137 (4). ISSN 0199-6231. doi:10.1115/1.4030069. 
  22. ^ Knott, R. C.; Sadowski, D. L.; Jeter, S. M.; Abdel-Khalik, S. I.; Al-Ansary, H. A.; El-Leathy, Abdelrahman (2014-06-30). „High Temperature Durability of Solid Particles for Use in Particle Heating Concentrator Solar Power Systems”. American Society of Mechanical Engineers. ISBN 978-0-7918-4586-8. doi:10.1115/ES2014-6586. 
  23. ^ Ho, C. K.; Christian, J.; Yellowhair, J.; Jeter, S.; Golob, M.; Nguyen, C.; Repole, K.; Abdel-Khalik, S.; Siegel, N.; Al-Ansary, H.; El-Leathy, A.; Gobereit, B. (2017). „Highlights of the high-temperature falling particle receiver project: 2012 - 2016”: 030027. doi:10.1063/1.4984370. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Соларни_колектор_на_бази_честица&oldid=27009705”