Гигантские солнечные электростанции сахары
- Основной технолог компании SkyFuel Рэнди Джи говорит, что использование зеркальной пленки, которая не теряет собственных оптических черт более 30 лет, опустит цену 1кВт•ч промышленного солнечного электричества до 4−5 центов.
Раз в день пустыни планеты поглощают в 10 000 раза больше энергии, чем потребляет население Почвы в течение года
Неисчерпаемый источник Предполагаемая конфигурация южного сектора Desertec займет всего 0,14% пригодных территорий.
- По мере роста энергопотребления сеть сможет наращивать мощности за счет модернизации существующих комплексов CSP и установки ветряков (в Сахаре полно районов с устойчивыми ветрами «промышленного» значения)
Жнецы солнца Электричество, полученное на 20 м кв. поверхности Сахары посредством параболических концентраторов с КПД 25%, может обеспечить потребности среднестатистического европейца с учетом ежедневной зарядки аккумулятора личного электромобиля
да рубль перевоз Цена укладки 1000 км кабеля на дно моря колеблется от 1,8 до 2,5 млрд евро, исходя из этого по мере повышения количеств генерации в Сахаре емкость cети будет наращиваться добавлением новых линий к уже существующим.
- До тех пор пока что Африку и Европу связывает всего одна подводная ЛЭП переменного тока напряжением 400 кВ, лежащая на дне Гибралтара
По оценке президента Nexans Фредерика Венсана, чтобы сложить подробности пазла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд
Как и многие другие гении, Шуман опередил собственный время. Над проектом строительства в Северной Сахаре 2,7-тераваттного (тераватт — это миллион милионов ватт!) комплекса солнечных концентраторов суммарной площадью 52 000 км?, что был им предложен английскому генеральному консулу лорду Китченеру, потешался целый научный бомонд Европы.
Кроме того хороший приятель Шумана, узнаваемый физик господин Чарльз Вернон Бойс, создатель идеи по применению линейных параболических зеркал для концентрации солнечного излучения, заявил проект утопией. Единственным человеком, принявшим американца действительно, был кайзер Германии Вильгельм II, очень заинтересованный в усилении германского влияния в главных районах Африки.
В начале 1914 года через компанию Siemens & Halske AG Вильгельм II выделил Шуману 200 000 марок на топографические изучения в Сахаре и разработку новых параболических установок с паровыми турбинами низкого давления. Но Первая мировая перевоплотила эти деньги в пыль. Процветающая компания Sun Power обанкротилась, а сам пионер солнечной энергетики был должен возвратиться в Штаты, где и почил в бозе в 1918 году.
По окончании войны об идеях Шумана никто не отыскал в памяти, поскольку солнца в холодной Европе было значительно меньше, чем железа и угля, а Америка уже купалась в легкой техасской нефти.
До начала 1990-х годов часть солнечной энергетики в общей массе исследовательских проектов была ничтожной. А также в то время, когда лед тронулся, первостепенное финансирование потекло в область хайтековского фотоэлектричества, а ученые, занимавшиеся разработками гелиотеплоэнергетики, еще долго перебивались случайными грантами. «В то время, когда во второй половине 80-ых годов XX века я попал в мир солнечной энергетики, то был поражен царившим в нем унынием. Вместо важной научной работы люди занимались поисками денег, — вспоминает узнаваемый истинный солнцепоклонник и немецкий физик Герхард Книс, посвятивший более четверти века реализации идей Шумана. — Правительству на фоне недорогой нефти эта тема казалась скучной, а лица венчурных инвесторов принимали постное выражение, стоило им услышать о «примитивных» параболических зеркалах, линзах Френеля либо солнечных башнях с двигателями Стирлинга».
Солнцепоклонники
Впредь до 2006 года Книс действовал фактически в одиночку. Но игра стоила свеч: по его расчетам, всего 0,003% площади негодных для жизни пустынь планеты (либо 1% площади Сахары) способны обеспечить недорогим электричеством всю цивилизацию. И для этого не требуется никаких экзотических разработок — с задачей легко справятся всевозможные совокупности концентрации солнечного излучения, узнаваемые инженерам уже свыше сотни лет.
Солнце сможет дать работу сотням тысяч обитателей Северной Африки и, как бы парадоксально это ни звучало, совсем примет решение проблему дефицита питьевой воды на Тёмном континенте.
Дело в том, что солнечная плантация отличается от простой угольной либо газовой ТЭЦ только источником тепла для получения перегретого пара. В среднем расход деминерализованной воды на 1 МВт мощности в установках с параболическими концентраторами образовывает 17 000 т в год, из которых около 340 т уходят на очистку отражающих поверхностей.
Для обеспечения технологического процесса в северной части прибрежной полосы Африки нужно будет построить разветвленную сеть опреснительных насосных станций и заводов, каковые дадут чистую воду десяткам миллионов людей. Очевидно, трудиться они будут кроме этого на энергии Солнца.
Сперва в научном сообществе над Герхардом Книсом посмеивались, после этого принялись осуждать, позже делали вид, что неприятности не существует, и только через 2 десятилетия мысль столетней давности стала чем-то само собой разумеющимся. В 2009 году при помощи политиков, сотрудников из Германского космического центра (DLR) и группы исследователей из Римского клуба Кнису удалось создать консорциум Desertec Industrial Initiative, в который вошли 59 корпораций из 15 государств, а также гиганты ABB, Deutsche Bank, Siemens.
Масштабы задуманного поражают воображение и на первый взгляд напоминают бредовые послевоенные замыслы СССР по переброске части Оби и стока Иртыша в Среднюю Азию. Судите сами: к 2050 году Desertec не только перевоплотит Сахару в огромную солнечную электростанцию, но и свяжет подводными высоковольтными силовыми магистралями в единую сеть 20 офшорных ветровых плантаций, 7 гидроэлектрических и 11 тепловых станций на возобновляемом сырье от Исландии до Персидского залива. Цена этого мегапроекта составит не меньше ?400 млрд.
Главный количество генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км?, расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. Наряду с этим около 50% энергии, и вся продукция опреснительных фабрик останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу.
Королевство кривых зеркал
Коренной разработкой североафриканского гелиоэнергетического района Desertec будет концентрация солнечной энергии. Из-за чего не прямая генерация при помощи фотоэлектрических панелей? Все легко: ТЭС на солнечном тепле смогут производить мощность 24 часа в день, в то время как заведомо более дорогие панели целиком и полностью зависят от погоды.
Теоретически, в фотоэлектрических комплексах имеется возможность запасать маленькие количества энергии в литий-ионных батареях, но цена 1 кВт•ч наряду с этим будет совсем «несъедобной».
самые эффективными из всех существующих совокупностей CSP эксперты Desertec вычисляют параболические линейные концентраторы, подобные тем, каковые еще 100 лет назад применял Фрэнк Шуман. Эти огромные зеркала напоминают сегмент цилиндра, не смотря на то, что в действительности их профиль является параболой , а не сектор окружности.
Обычный промышленный концентратор для проекта Desertec — это каскад из управляемых гелиостатами (устройствами для ориентации на Солнце) зеркал суммарной площадью апертуры (большая проецируемая площадь, на которую поступает солнечное излучение) от 500 000 до 2,5 млн м2, установленных последовательностями на металлических пилонах в направлении с севера на юг. Ширина отдельного параболического зеркала в апертуре колеблется в пределах 6 — 7,5 м, а степень концентрации излучения равняется 1000:1.
В линии фокуса параболы находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем (дистиллированная вода, масло либо солевой расплав). Под действием отраженных лучей коллектор нагревается до 350 — 700 °C, а теплоноситель «смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС либо в тепловой аккумулятор (ТА). Наряду с этим давление в коллекторе подскакивает до 18 — 20 атм.
Хороший ТА имеет двухкамерную конструкцию и применяет в качестве теплоносителя солевой расплав — смесь 60% натриевой и 40% калийной селитры. Это вещество идеально для рабочих температур от 200 до 580 °C. Оно действующий при куда меньшем давлении, чем пар, и не разлагается при температурах более чем 400 °C, как органические масла.
Теплоноситель поддерживается в жидком состоянии в «холодной» камере посредством газовых горелок (288°С). В ясную погоду расплав прокачивается через солнечные концентраторы и набирает рабочую температуру (565°С), по окончании чего попадает в «тёплую» камеру-термос. Камера так прекрасно изолирована, что температура расплава может поддерживаться на этом уровне на протяжении семи дней.
Ночью, при плотной облачности либо при пиковых нагрузках в сети расплав из «тёплой» камеры разряжается на теплообменниках ТЭС и генерирует перегретый пар. Затем в контуре водяного либо воздушного охлаждения отработанный расплав сбрасывает остаточную теплоту и сливается в «холодную» камеру.
На данный момент при проектировании новых проектов от двухкамерных ТА стали отказываться в пользу более действенных однокамерных. Они трудятся по принципу термоклина — вертикального распределения несмешивающихся слоев жидкости с разной температурой. ТА с жёсткой средой — еще одна очень перспективная разработка хранения энергии, над которой трудятся ученые из Германского космического центра DLR.
Твердотельные ТА с довольно большим уровнем саморазряда совершенны для солнечных ферм, расположенных в территориях со стабильно высокой инсоляцией. Помимо этого, они фактически не требуют замены и обслуживания рабочей среды.
ГОЭЛРО для Африки
Собственный участие в Desertec уже подтвердили Алжир, Египет, Иордания, Ливия, ОАЭ, Саудовская Аравия, Тунис и Сирия. Но первой ласточкой Desertec станет ферма мощностью 500МВт недалеко от Варзазата, Марокко. Сооружение этого комплекса ценой ?2,1 млрд начнется уже в текущем году, а коммерческие киловатты Варзазата начнут поступать в сеть в 2014-м.
По словам президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат станет главным полигоном для обкатки разработок и будет оснащен всеми типами устройств — параболическими концентраторами, солнечными башнями, зеркальными тарелками с двигателем Стирлинга, линейными линзами Френеля, фотоэлектрическими (PV) различными типами и панелями тепловых хранилищ.
Кроме Варзазата изучения проводятся кроме этого на действующей микроферме в египетском Кураймате, в котором годовая инсоляция образовывает 2,4 МВт на 1 м? поверхности. На базе данных, взятых в этих полевых лабораториях, к 2020 году комплексы CSP будут выстроены в Египте, Ливии, Саудовской Аравии и Сирии. Еще через десятилетие в сеть вольется громадный энергетический район в Алжире мощностью 22 ГВт, в состав которого войдут газоперерабатывающие фабрики алжирской группы Sonelgas.
И наконец, к 2050 году генерация электричества обязана начаться на всех 42 объектах Desertec в Сахаре и на Ближнем Востоке.
Главный количество
Главной количество генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км?, расположенные в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях.
Наряду с этим около 50% энергии, и вся продукция опреснительных фабрик останутся на местном рынке.
Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу по цене 5 — 7 евроцентов за 1кВт•ч и перекроют не меньше 15% спроса.
Золотая паутина
Перевоплотить фотонный ливневой дождь Сахары в электричество — только полдела. Основное — с минимальными утратами доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах километров от источника.
Переменный ток для межконтинентальной сети не годится из-за громадных потери на долгих расстояниях передачи. На каждой сотне верст подводного 750-киловольтного кабеля «обнуляется» до 60% энергии переменного тока. Наряду с этим равный ему по сечению подводный кабель HVDC (высоковольтной линии постоянного тока) теряет на таком же маршруте всего 0,3−0,4% энергии.
Для создания HVDC-магистралей будет использоваться бронзовый кабель сечением 1600 мм? с усиленной изоляцией типа MIND с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND за счет тяжелого двойной броневой и свинцового экрана рубахи из стали весит целых 40 кг и стоит $1100. Серийно его не создают: для каждого конкретного проекта на фабриках компаний Nexans и Prysmian разрабатывается оптимальная конструкция элементов MIND.
Чтобы сложить подробности пазла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. До 2050 года в Европе нужно модернизировать 34 существующие межсистемные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800 кВ и выстроить 5125 км новых линий, а до 2020 года — протянуть по дну Средиземного моря шесть магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной свойством 20 ГВт.
Свет мой зеркальце
Эффективность преобразования солнечных лучей в тепло зависит прежде всего от качества параболических зеркал.
Лучшие зеркала нюрнбергской компании Flabeg марки UltimateTrough с коэффициентом отражения более чем 94,4% снабжают точность фокусировки не меньше 99,9%. По словам Олафа Кнебеля, технического директора Flabeg, изготовление огромных зеркал из отожженного стекла толщиной 4 — 5 мм на металлической базе и нанесение серебряной смеси — работа ювелирной точности. Цена небрежности очень высока: отклонение лучей от линии совершенного фокуса всего на 1 мм за 25 лет работы 50-мегаваттного CSP-комплекса приведет к утрата 11 млн потенциальной выручки.
В 2011 году инженеры корпорации Alcoa и ученые из лаборатории NREL начали тестирование параболических зеркал с твёрдым алюминиевым корпусом и патентованным нанокомпозитным зеркальным покрытием MicroSun компании Alanod Solar.
Покрытие MicroSun владеет прекрасным коэффициентом отражения 95% и очень устойчиво к абразивному действию. В целом оснащение солнечной плантации алюминиевыми параболами вместо хрупких и тяжелых стеклянных зеркал разрешит сэкономить инвесторам до 25% бюджета. Американская компания SkyFuel предлагает еще более радикальное ответ — самоклеящуюся рулонную полимерную пленку ReflecTechPlus с эластичным серебряным слоем и модульные цельноалюминиевые панели SkyTrough.
В 2010 году разработка прошла свободные опробования в лаборатории NREL, каковые подтвердили ее термальную эффективность на уровне 75% при температуре теплоносителя 350 °C.
Статья «Сахара на экспорт» размещена в издании «Популярная механика» (№115, май 2012).
<
h4>