Proč vylepšovat starý system?
Na rozdíl od přírodních zdrojů má sluneční energie 2850 - krát víc potenciálu jako je současná světová spotřeba. Na základě dnešních vědomostí a technologií je možné využít energii, která dokáže pokrýt 3,8 - krát současnou potřebu lidstva. Každý z 27 států EÚ se rozhodne jakým způsobem dosáhnout 20 % zvýšení využití obnovitelné energie do roku 2020. V dalším důležitém bodě se lídři EU zavázali snížit emise oxidu uhličitého o 20 % hodnot z roku 1990 a to do roku 2020.
Proč termomechanický systém?
Při konstrukci solární elektrárny se klade velký důraz kromě celkové efektivity provozu i na optimální vyvážení. Celkové investice do 5 MW se považuje přímá fotovoltaická konverze, s převažujícím využitím křemíku jako základního materiálu, ať už ve formě mono-krystalické, poly-krystalické nebo amorfní. Právě převažující použití křemíku má za následek celkové omezení využitelného spektra slunečního záření. Jak je vidět z grafu solárního spektra (obr.1), výkonná část slunečního záření se nachází v infračervené oblasti. Článek z křemíku pracuje efektivně jen v oblasti modrého světla. Celkově pracuje fotovoltaický článek jen s částí solárního spektra. Povrch článku však absorbuje celé spektrum, přičemž oblast mimo optimální záření pro daný typ článku zůstává nevyužita. Vzhledem k tomu, že jde v tomto případě o infračervenou oblast, článek se přehřívá. Pravě vysoká solární radiace a s tím spojená vysoká teplota článků má za následek další pokles konverzní účinnosti křemíkových článků.
Fototermika nebo fotovoltaika?
Na první pohled se zdá být fotovoltaická elektrárna ideálním řešením konverze slunečního záření na elektrickou energii, protože jde o přímou konverzi bez mezistupňů. Vyrobený jednosměrný proud je však třeba dále upravit ve střídačích tak, aby odpovídal potřebám rozvodů. V porovnání s foto-termickou konverzí je fotovoltaika vhodná pro menší aplikace do 5 MW. I tak dochází při fotovoltaické konverzi za použití křemíku ke ztrátám, které se odráží v celkové účinnosti fotovoltaické elektrárny:
Jak je vidět, každým dalším spojením fotovoltaických panelů se zvyšují ztráty. Proto se doporučují maximální napětí do 1000 V jednosměrného proudu na střídač, přičemž se jako optimum považuje 700 V.
U fototermické konverze je využité širší pásmo solárního záření, takže celkový zisk energie je vyšší jak u fotovoltaické konverze. Jako primární oběhové médium v absorbérech se používá silikonový olej, voda, chladící média, nebo speciální kovové slitiny. Následně se odevzdává teplo sekundárnímu okruhu přes výměník, nebo přímo na expanzní turbínu. Konverze probíhá ve třech stupních:
1. solární záření -® teplo,
2. teplo -® mechanická energie,
3. mechanická energie ®- elektrická energie.
Proč vylepšovat osvědčené systémy?
Všechny osvědčené fototermické systémy byly postaveny v místech s přebytkem slunečního záření a nebyla nutnost využít je s největší možnou efektivitou. I u nás dopadá průměrně 900 W na čtverečný metr. Lokální jednotky využívající sluneční energii snižují nutnost dopravovat elektrickou energii na větší vzdálenost za cenu ztrát ve vedení. Ale proč plýtvat, i když je slunečního záření víc, než ho dokážeme zatím zpracovat?
Základní konstrukční změnou řešení TurboSolar je nově navržená expansní turbina pracující s teplotami do 100 °C. Použité byly i nové speciálně navržené absorbéry na bázi hliníku s využitím selektivní konverzní metal-matrix vrstvy a pracovním solárním rozsahem až 97 %.
Popis činnosti TurboSolar
Speciální solární absorbéry jsou koncipované s důrazem na maximální výtěžnost dopadající sluneční energie. Mají paměťový efekt pro překrývání kolísání intenzity slunečního záření, který je umístěný v konstrukci sledující zdroj energie slunce ve dvou osách. Absorbéry ohřívají kapalinu primárního okruhu solární jednotky, tato odevzdává tepelnou energii přes výměník pracovní kapalině sekundárního okruhu jednotky zakončeného expanzní turbínou. Ta svým pracovním cyklem pohání standardní sériově vyráběný alternátor.
Pracovny okruh je rozdělen na jednu primární a dvě sekundární části s odděleným oběhem. Rozdělení sekundárního okruhu umožňuje přizpůsobit pracovní cyklus podmínkám oblasti použití. Pracovní cyklus fotovoltaických panelů je závislý na intenzitě slunečního záření. Námi navrhovaný systém používá nízko-potenciální teplo. To znamená, že při dodržení určitých podmínek je možné využít foto-termickou konverzi i celých 24 hodin. Klíčovým faktorem je v tomto případě pracovní oběhové médium použité v sekundárním oběhu. Jako zdroj energie je pro pracovní cyklus expanzní turbíny možné použít i teploty pod 20 °C.
Řešení pro rodinné domy
Primárně bylo toto řešení plánováno pro využití v rodinné zástavbě a bytových domů k zabezpečení teplé vody a elektrické energie. Výrazným podílem by se snižovaly náklady na bydlení a snížily by se také emise skleníkových plynů. Nesporným faktem zůstává i finanční oblast, neboť vzhledem ke koncepci tohoto nezávislého energetického systému je provozo-vatel schopen snížit náklady na bydlení. Solární jednotka TurboSolar je spojení tří polí solárních absorbérů s jedním kompaktním soustrojím turbíny a standardního sériově vyráběného alternátoru.
Expanzní dvoustupnova turbina
Věčšina ve světe používaných fototermických solárních systémů pracuje s teplotami vyššími jako 100 °C. Námi navrhnutá expanzní turbína pracuje s nízko potenciálním teplem a je schopná pracovat s teplotami, které jsou považované za nevyužitelné – tzv.odpadní teplo. Její základním prvkem je speciálně navrhnutý rotor v tvare rotačního elipsoidu, který má po obvode 6 trysek a využívá gravitačního přetažení v rotore při otáčkách vyšších jako 15 000 ot/min. Vstupní pracovní médium je v tomto případě vedeno osou rotace a následně je vnitřními tvarovanými kanály přivedeno do expanzní trysky. Tato konstrukce umožňuje dodateční stlačování pracovního média a tím zvyšování efektivity turbíny. Tlak na vstupe je navržen dle typu ucpávky na 40 bar. Volba pracovního média musí korespondovat s tlakovými podmínkami turbíny. Navrhnutý stupeň s rekuperací je vhodný pro toluen, izobutan.
První stupen turbíny pracuje s vysokým tlakovým rozdílem a slouží na maximalizaci tepelného rozdílu – ochlazení vlivem rozpínání pracovního média. Vysoký tlak na vstupe do trysky je následně vedený do tvarované kalibrované trysky. Výběrem velkosti trysky se dá dosáhnout optimální využití turbíny a její spolupráce s různými pracovními médii. Rotor turbíny je navrhnutý ze 6 sekvenčními tryskami.
Rozdělení na dvě sekvence umožňuje plynulý nástup turbíny, když během startovací sekvence běží jenom tři trysky. Tato možnost je řízena rozváděcím ventilem ve vnitřku rotora. Vyšší tlak média tlačí na rozváděcí píst a ten následně odkrývá komory a vpouští pracovní médium do trysek. Další výhoda rozdělení na dvě části plyne ve flexibilitě použití v spojení s proměnným zdrojem tepla – solární kolektory. V případě dostatku tepelné energie z kolektorů pracují oba okruhy a turbína pracuje v efektivní oblasti. Protože turbína pracuje s nejvyšší efektivitou na hraně kondenzace pracovního média, tak byli konstrukčně zvolené pevně tvarované lopatky, které jsou vyfrézované ve vnitřní straně turbínového tělesa. Tvarovaný paprsek pracovní páry vystupující z trysky má v případě kondenzace na lopatkách konvenční turbíny velmi silně erozivní účinky. Tato turbína má lopatky pevné a trysky pohyblivé, co ji umožňuje pracovat ve velmi širokém pracovním pásmu. Tryska turbíny je vyhotovena z kvalitního materiálu tak, aby se trvale mohla používat v agresivním prostředí.
Vnitřek statoru turbíny je povrchově upraven termálním nástřikem odolávajícím erozi. Turbína je 2 – stupňová, při čemž mezi prvním a druhým stupněm je zařazen výměník ve vnitřku tělesa turbíny. Ten reguluje množství dodaného tepla/chladu tak, aby se po expanzi udrželo pracovní médium v plynném stavu a odevzdalo energii, která je ve formě zvýšeného tlaku, ale i v kinetické formě, do druhého stupně turbíny. Stator je tvarovaný tak, že plynné médium je drážkováním vedené po ploše směrem ze shora dolů, kde následně vstupuje do rozváděcích lopatek sekundární nízkotlakové turbíny. Konstrukce umožňuje pracovat z nasycenou mokrou párou bez rizika poškození rotora. Těleso statoru je dvouplášťové a slouží jako výměníková plocha mezi primární vysokotlakou turbínou a sekundární nízkotlakou turbínou. Tvarově je rotor turbíny rotační elipsoid při čemž jeho váha má příznivý vliv na pracovní frekvenci turbíny – pracuje jako gyro- setrvačník.
Výstup pracovního rotora je vyveden dvěma ložisky, při čemž spodní je radiální a horní radiálně-axiální. Ucpávka odděluje pracovní komoru od vnějšího prostoru. Sekundární turbína je přímo spojena s primární při čemž výstup ze sekundární turbíny je veden do expanzní části, kde následně přechází skrz rekuperátor a kondenzátor.
Kompresor
Zapojení kompresora je nezávislé od otáček turbíny. Je poháněn elektromotorem přes měnič otáček. Kompresor je důležitý pro startovací sekvenci turbíny, kdy se pracovní médium nasává ze spodu turbíny- Vytváří se tak oblast nízkého tlaku, který umožňuje rozběh turbíny již při malém dodaném výkonu. Následně se kompresor používá jako řídící člen systému a jako dodatečný zdroj energie pro páru. Protože kapalina je jenom omezeně stlačitelná, vyplývá z toho, že kompresor je schopen dodat energii páre podstatně efektivněji. Když je poháněn samostatným elektromotorem je využití kompresora efektivní jenom v případě částečného zatížení a nedostatku energie – tepla z vnějšího zdroje.
Spojení se slunečními absorbéry zajišťuje 6 tepelně izolovaných měděných trubic. Celé soustrojí je uzavřeno v odhlučněné ocelové šestihranné skříni o průměru 1 500 mm a výšce 2 000 mm. Výkonnější verze jsou plánovány na rozpraco-vané projekty solárních elektráren v ČR.
Malý záber prostoru
Výkonnější verze jsou plánovány na rozpracované projekty solárních elektráren v ČR. Při návrhu výroby elektrické energie ze slunce pomocí fototermiky, jsme se snažili i o to, aby byl co nejmenší záběr zemědělské půdy. Navrhli jsme otočné konstrukce ve tvaru kruhu, které se dají umísťovat jedna vedle druhé a tak lépe využívají celou půdorysní plochu pozemku. Energetický zisk z takového řešení je minimálně o 100 % vyšší, jako u klasických otočných konstrukcí.
Na konstrukci složené ze tří rámových podpěrných noh je otočně připevněn podélný nosník držící výklopná pouzdra jednotlivých solárních absorbérů. Celá konstrukce je vyrobena z uzavřených ocelových profilů. Jedno kolektorové pole je tvořeno třemi samostatnými kruhovými kolektory o průměru cca 7 metrů. Elektronika natáčí ve dvou osách jednotlivé ploché panely kolmo za sluncem tak, aby byla přijímaná maximální možná solární energie.
Každé takové pole tvořené třemi samostatnými kruhovými kolektory je spojeno s jednou expanzní turbínou a alternátorem, kde se mění mechanická energie sekundárního okruhu na energii elektrickou.
I když tu konkrétně řešíme výrobu energie ze slunce, uvedený systém se dá použít na kterýkoliv zdroj odpadního tepla. Je v podstatě jedno, zda jsou na primární okruh výměníku napojeny jako zdroj tepla kolektory, geotermální energie, kogenerační jednotka nebo jiný zdroj ,,odpadního tepla“. Změnou velkosti výměníku a náplně sekundárního okruhu, umíme získat energii z kteréhokoliv odpadního tepla a tuto energii dodávat do sítě. I když jedna jednotka má maximální výkon cca 20 kW elektrické energie, jednotky se dají spájet do celků a je možné vytvořit soustavy o výkone několik MW elektrického výkonu.
Text: Ing. Ondrej Majchrák
Ilustrácie a foto: Solar Electrics
Pridať komentár
"Stop stav" ukončen! Fotovoltaika v ČR opět povolena
“Pro všechny zájemce o instalaci malých střešních FV elektráren konečně nastal po téměř dvouletém ‘stop stavu’ kýžený obrat,”
Slnečné kolektrory sa dlhodobo oplatia
Žiar nad Hronom (22. 1. 2012)Zvýšenie cien zemného plynu od nového roka v priemere o 5,53 percenta a zavedenie ekologickej spotrebnej dane z paliva na kúrenie vo výške 1,32 eura za jednu megawatthodinu, zrýchlili návratnosť slnečných kolektorov voči zemnému plynu cca o pol roka. Zákazníkom sa kúpa slnečných kolektorov vyplatí, pretože okrem vstupnej investície majú zvyšných až 30 rokov teplú vodu prakticky zadarmo.