Cikk: Koncentrált napenergia (CSP) Tartalom III. Rész Koncentrált napenergia (CSP): • • • • • • • •
Mi az a CSP? Fogalma és hogyan működik? Történet Felosztása. Milyen alkalmazásai vannak? Koncentrált szolár termál energia (CST) Koncentrált fotovoltaikus energia (CPV) Koncentrált fotovoltaikus és termikus energia (CPT) A koncentráló rendszerek előnyei - hátrányai A koncentrált napenergia jövője
Mi a CSP? Definíció, hogyan működik? A koncentrált napenergia (CSP) olyan rendszerek, amelyek lencséket vagy tükröket alakalmaznak a napfény vagy a termikus napenergia kis területre való koncentrálására. Villamos energia keletkezik, amikor a koncentrált fény hővé alakul át, amit egy hőerőgép (általában gőzturbina) vezérel, mely egyúttal egy elektromos áramot fejlesztő generátorhoz csatlakozik. A CSP-t nem szabad összetéveszteni a napelemekkel, ahol a napenergiát közvetlenül alakítjuk át villamos energiává, gőzturbina használata nélkül. A napfény koncentrációja a fényelektromos felületekre, hasonlóan a CSPhez, koncentrált fotovoltaikus energiának nevezzük (CPV). Történet A koncentrált napfényt már az ősi Kina idejében is hasznos feladatok ellátására használták. A legenda azt tartja, hogy Archimédesz használt ún. napfény "sugárzást" a megszálló római flotta ellen, hogy Szirakúzától eltávolitsa őket. 1973-ban egy görög tudós, Dr. Ioannis Sakkas tett egy kíváncsi kisérletet arra, hogy Archimédesz valóban elpusztíthatta-e a római flottát i.e. 212-ben. Hatvan görög hajóst sorakoztatott fel, akik kezükben hosszúkás tükrökkel igyekeztek a nap sugarait egy közvetlenül 160 méter távolságra tartózkodó rétegelt hajós sziluettre irányitani. A célbavett hajó pár perc múlva kigyulladt, azonban ennek ellenére a történészek továbbra is kétségbe vonják az Archimédesz történetet. Auguste Mouchout 1866-ban használt egy parabola vályút gőz előállítására. Ezt a nap által melegitett teknőt nevezzük az első (nap által melegitett) gőzgépnek. Az első napkollektor szabadalmat 1886-ban az olasz genovai Alessandro Battaglia kapta meg. A következő években, John Ericsson és Frank Shuman feltalálók koncentrált napenergiával működő eszközöket fejlesztettek ki öntözés, hűtés és helyváltoztatás céljára. 1913-ban Shuman 55 HP parabolikus napenergia állomást készitett öntözés céljából Meadiben (Egyiptomban). A másik genovai professzor, Giovanni Francia (1911-1980) Sant'Ilario-ban, Genova (Olaszország) közelében megtervezte és megépitette 1968-ban az első koncentrált napenergiával működő erőművet. Ez a naperőmű már a mai erőmű-építészet koncentrált létesitményeit idézi, a napkollektor mező közepén lévő fogadórésszel. Az erőmű képes volt túlhevített gőzzel (100 bar nyomáson és 500 Celsius fok
hőmérsékleten) 1 MW teljesitményt előállítani. A már 10 MW teljesítményű Solar One parabolikus napenergia erőművet DélKaliforniában hozták létre 1981-ben. Az 1984-ban szintén parabolikus technológiára épülő Solar Energy Generating Systems (SEGS) már ennél jóval működőképesebb volt. Ez a 354 MW-os teljesitményt termelő SEGS erőmű még mindig a legnagyobb napenergia-üzem a világon. A rendszerek felosztása A koncentrált napenergia rendszerek az alábbiak szerint vannak felosztva • Koncentrált szolár-termál energia (CST) • Koncentrált fotovoltaikus energia (CPV) • Koncentrált fotovoltaikus és termikus energia (CPT) Koncentrált szolár termál energia (CST) A koncentrált szolár-termál energia (CST) rendszerekkel megújuló hőt ill. hideget vagy villamosenergiát állitanak elő (melyet szolár-termoelektromosságnak hivnak és többnyire gőz segitségével állitják elő. A CST nyomkövető rendszerek többnyire lencséket vagy tükröket használnak, hogy összpontosítsák a nagy felületen felfogott napfény hőmérsékletét egy kisebb felületre. A koncentrált fényt ekkor hő formájában vagy hőforrásként hagyományos módon egy naperőműben alakitják át termikus elektromossággá. Ezen a területen több technológia létezik, beleértve a parabolikus teknőt (vályút) , azaz az ún. Dish Stirling-et (naptányért), a Concentrating Linear Fresnel Reflector rendszert, a napenergia kéményt és a napenergia tornyot. Minden fenti módszer képes magas hőmérséklet előállitására és ennek megfelelően a rendszerben igen magas a termodinamikai hatékonyság. A hatékonyság annak függvényében is változik, hogyan követi-e a fókusz-fény a nap haladását. Az új innovációs technológia alkalmazásának következtében a koncentrált napenergia előállitása egyre költséghatékonyabb. A parabolikus napteknő
A parabolikus napteknő egy lineáris parabolikus fényvisszaverőből áll, mely a napfényt a vevőrészre koncentrálja, mely a reflektor fókuszvonalán helyezkedik el. A vevőrész egy olyan cső, mely a parabolikus tükör középvonala felett található és hőátadó folyadékkal van feltöltve. A reflektor a nappali órákban egy tengely mentén követi a napot. A hőátadó folyadék (pl. olvadt só) felmelegszik 150-350 C-ra (423-623 K (302-662 F)), amint átfolyik a vevőrészen, és ezt a hőt használja ki a az energiatermelő rendszer. A teknőrendszerek a CST technológia csúcspontjai. Az alábbi naperőművek, mind a teknőrendszer képviselői: Solar Energy Generating Systems (SEGS) - Kalifornia, Acciona - Nevada Solar One (Nevada, Boulder City mellett), Almería - Plataforma Solar, Spanyolország. A Lineáris Fresnel Reflektorok fókuszálása szintén a CST erőművekhez tartozik, melyek sok vékony csíkokra vágott tükröt alkalmaznak a parabolikus tükör helyett. Ebben az esetben a napfényt két működő hőátadó folyadékkal teli csőre vezeti rá. Ennek a technológiának az az előnye, hogy ebben az esetben már sík tükröket is lehet alkalmazni, melyek a parabolikus tükörnél jóval olcsóbbak, ráadásul több fényvisszaverőt lehet elhelyezni ugyanarra a térre. Ez lehetővé teszi a rendelkezésre álló napfény jobb felhasználását. A Lineáris Fresnel eljárást nagy üzemekben vagy kompakt naperőművekben célszerű alkalmazni. Parabolikus teknőfarm Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector, 19.11.2010
Solar Energy Generating Systems (SEGS), Kalifornia, USA Tudjon meg többet a projektekről
Parabolikus Dish Stirling (naptányér) A Dish Stirling vagy naptányér egy önálló parabolikus fényvisszaverő, mely fényt a reflektor fókuszpontjába koncentrálja. A reflektor két tengely mentén követi a nap mozgását A vevőrész hőmérséklete 250-700 ° C-ra növekszik (523-973 K (482-1,292 ° F)), melyet egy Stirling motor mozgási energiává alakít. A naptányár rendszer a legjobb hatékonysággal alakitja át a napenergiát villamos árammá a CST technológiák között és a moduláris jelleg miatt a termelés skálázható. A következő naperőművek, mind a naptányér technológiájára épültek: Stirling Energy Systems (SES), UNLV Science Applications International Corporation (SAIC) és Austral National University Big Dish, Canberra – Ausztrália. Két alapvető jelenséget kell megértenünk annak érdekében, hogy jobban megértsük a parabola tányér működését.
A tányér rendszer esetében nincs szükség vizmelegitőre, miután a Stirling motor kiváltja azt. Forrás: http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power, 25.11.2010
Az egyik az, hogy a bejövő fénysugaraknak, melyek a tányér tengelyével teljesen párhuzamosan érkeznek, mind a parabola középpontjában gyűljenek össze, függetlenül attól, hogy a tányérhoz melyik helyen érkeznek. A második legfontosabb ismereti tényező pedig az a tény, hogy a földre való érkezéskor a fénysugarak egymással mindig párhuzamosak. Ez azt jelenti, hogy abban az esetben, ha a tányért a nap fókuszpontjába állitjuk, akkor a beérkező sugárzás a tányér középpontjában tükröződik vissza. A felhasznált energia veszteség csupán a parabola egyenetlenségeiből és a visszaverő anyag tökéletlenségéből adódik. A parabola és annak központja közötti légköri veszteségek minimálisak, mivel ez a tényező elhanyagolható a tányér nagysága és a nap teljesitménye között. A parabola tányért összehasonlítva más design alakokkal, látni fogjuk, hogy a forma mennyire fontos tényező. Ha a helyi időjárás párás, ködös akkor mindez jelentősen csökkentheti a parabolikus tányér hatékonyságát. Bizonyos naperőművek esetében, a középpontba állitott Stirling-motor elnyeli a hőt a beeső napsugárzásból, majd mechanikai energiává alakitja át és egy dinamón keresztül villamos energiát termel.
Napkémény A napkémény egy átlátszó nagy felületből áll (mely általában üvegből van). A nap felmelegíti a levegőt az üvegházhatású (fóliaház) szerkezetben, mely felemelkedik egy magas kéménybe. A kéményben elhelyezett áramtermelő turbina lapátjait a meleg levegő meghajtja és villamosenergiát hoz létre. A napkémények design szempontból nagyon egyszerűek és a fejlődő országok számára egy jól járható út. Kérjük, figyeljen a YouTube-ra, és kattintson ide
Naptorony Látogasson el az alábbi weboldalon a „Jülich kísérleti erőmű projekthez”Ez egy vezető kompetencia központ az innovatív és jövőbemutató energetikai technológia feltárására Forrás: http://www.solarturmjuelich.de/en A tükrös naptorony egy sor kettős tengelyű követő reflektorból áll (heliostats), melyek a napfényt egy központi vevőegységre – naptoronyra – koncentrálják: a torony tetején a befogadó rész folyadékot tartalmaz, mint pl. tengervíz. A hőátalakitás révén a folyadék 500-1000 C (773-1,273 K (932-1,832 F)), felmelegítésre kerül, majd a hőforrást egy villamosenergiatermelő rendszerhez vagy energiatároló rendszerhez kapcsolják. A tükrös naptorony kevésbé fejlett
rendszert alkot, mint a teknő rendszer, de jobb hatékonyságot és energiatároló képességet biztosít. Az alábbi rendszerek, mind a naptorony technológiát képviselik: A Solar Two Daggett, Kalifornia, Planta Solar 10 (PS10) Sanlucar la Mayor, Spanyolország. A koncentrált napenergia a Trans-Mediterrán Megújuló Energia Együttműködés DESERTEC szerint a legmegfelelőbb együttműködési forma a a villamosenergia termelésre és a vízek sótalanitására olyan száraz régiókban, mint Észak-Afrika és Dél-Európa.
The 5 MW-os Sierra SunTower Lancaster-ben, (Kalifornia) több körös heliostats üvegeket alkalmaz, hogy a napsugarakat a központi toronyra koncentrálják. Nézd meg a Youtube-ot és kattints ide
Concentrált fotovoltaikus napelemek (CPV) A koncentrált fotovoltaikus napenergia (CPV) a napfényt tömöriti fényelektromos felületekre elektromos áram termelésének a céljából. A napelemek koncentrálásának minden módja kihasználható, és ezeket többnyire tartóoszlopokra szerelik, melyek fókusza a nap felé mutat. Komoly kutatási és fejlesztési munka folyt 1970 óta a fotovoltaikus koncentrált rendszereken. A Sandia National Laboratories pl. egy lineáris teknő rendszert tesztelt és helyezett üzembe, valamint az első modern fókusz pontú napelemes koncentráló rendszert is Sandia-ban dolgozták ki még az évtized végén. Ez az utóbbi két tengelyes rendszer egy egypontos akril Fresnel lencsét alkalmazott, mely vízhűtéses szilícium napelemekre fókuszált. Hasonló koncepciót használtak más prototípusok esetében is. Az 1970-es években létrehozott Areces Ramón rendszerben fejlesztették ki a hibrid szilikon-üveg Fresnel lencséket, melyek a szilícium-sejtek hűtését passzív hűtők alkalmazásával érték el. A lumineszcens napenergia koncentrátorokat (PV-napelemekkel kombinálva) szintén koncentrált fotovoltaikus rendszernek (CPV)
tekinthetjük. A világító napelem koncentrátorok igen hasznosak, miután a PV-napelemek teljesítményét drasztikus mértékben tudják javítani. Hatékonyság A félvezető tulajdonságok lehetővé teszik a napelemek számára a koncentrált fényben való hatékony működést, abban az esetben, ha a napelemek összetartó hőmérsékletét megfelelő hűtéssel alacsonyan tartjuk. A CPV a leghatékonyabban a napsütéses órákban működik, miután a felhők és más borult körülmények szórt fényt hoznak létre, melyet alapvetően nem lehet koncentrálni. 2009-ben sikerült elérni a 41,6%-os csúcs hatékonyságot, azzal a lehetőséggel, hogy akár 50%-os hatékonyság is esetleg elérhető lesz. Alacsony koncentrációjú CPV Az alacsony koncentrációjú CPV rendszerek (2-100 sun) napfény-koncentrációt érnek el. Gazdasági okokból, hagyományos vagy módosított szilícium napelemek kerülnek alkalmazásra. Ebben a koncentrációban a hőáram elég alacsony ahhoz, hogy az elemeket nem kell aktívan lehűteni. Az optika törvényei azt diktálják, hogy egy alacsony koncentrációs aránnyal rendelkező napkollektornak lehet magas befogadási szöge és ez egyes esetekben nem is igényel aktiv napenergia követést.
Közepes koncentrációjú CPV Közepes napfénykoncentráció (100-300 suns) esetében a CPV rendszereknek két tengelyes napkövetésre és hűtésre van szükségük (akár passzív vagy aktív módon), mely még bonyolultabbá teszi őket. A magas koncentrációjú fotovoltaikus rendszer (HCPV) A magas koncentrációjú fotovoltaikus (HCPV) rendszerek koncentrált optikát alkalmaznak, mely tányérokból és fresnel
lencsékből állnak és a magas intenzitású napfényt (300 suns vagy több) koncentrálják. A napelemek nagy teljesítményű hűtést igényelnek a termikus megsemmisítés megelőzése és a hőmérséklettel kapcsolatos teljesítmény veszteségének kezelése miatt. A többszöri csatlakoztatású napelemeket részesítik ma előnyben a szilícium alkalmazásával szemben, mivel ezek hatékonyabbak. A hatékonyság mindkét esetben emelkedik a napfény fokozott koncentrációjának esetében; A többszöri csatlakoztatású (multijunction) napelemeket, melyeket eredetileg a nem koncentrált fényben lévő műholdak számára tervezték, ma már újra alkalmazzák a CPV-ben felmerült magas áramsűrűség okán (általában 8 A/cm2 500 suns értéken). Igaz, hogy a költsége a többszöri csatlakoztatású napelemeknek mintegy 100-szor magasabb, mint a hasonló szilícium elemeknek, ezek ára azonban csak kis töredéke az egész PV rendszernek, így gazdaságilag a „multijunction” rendszer még mindig előnyösebb.
Koncentrált fotovoltaikus és termikus rendszer (CPVT) A fotovoltaikus és termikus (CPVT) technológia koncentrációja egyszerre villamosenergiát és termálhőt termel. A termálhőt melegvíz előállitásához, fűtéshez, hő-meghajtású klímához (naphűtés), sótalanításhoz vagy napmelegitéshez lehet alkalmazni. Ausztrál, amerikai és kínai kutatók vizsgálják kutatják azokat a lehetőségeket, hogy hő és villamosenergia rendszert kombináljanak (Combined Heat and Power Solar – CHAPS). Európában már alkalmaznak CHAPS rendszereket a termelésben. Egy izraeli társaság - ZenithSolar (http://www.zenithsolar.com/) már kidolgozott egy kombinált napelemes- termikus (kapcsolt energiatermelésű) rendszert, melynek hatékonysága 72%-os volt. A koncentrált rendszerek előnyei és hátrányai Előnyök • Nagyon magas hőmérséklet érhető el. A magas hőmérséklet előnyben részesiti a villamosenergia-termelést, melyet hagyományos módszerekkel lehet elérni. (gőzturbina, vagy egyéb magas hőmérsékletű közvetlen kémiai reakció keretében). • Jó a hatékonysága. A koncentrált napfény jobb hatásfokú mint a jelenlegi rendszerekben alkalmazott egyszerű napelemeknek. • Nagy terület lefedhető drága napelemek használata helyett, viszonylag olcsó tükrök segítségével. • A koncentrált fény optikai kábelen keresztül átirányítható bárhova. Például épületeket lehet megvilágitani vele. • Hőtárolás borús és éjszakai körülmények között is megvalósítható, pl. föld alatti tartály tárolására fűtött
folyadékok esetében. Sóolvadékot használtak már erre. Hátrányok • A rendszereket nyomkövetőnek kell ráállítani a nap mozgására • A rendszer a szórt fényt nem tudja feldolgozni. A napelemek még borús fényben is tudnak napenergiát termelni.
A koncentrált napenergia jövője A Greenpeace International, az Európai Solar Thermal villamosenergia Egyesület, és a Nemzetközi Energia Ügynökség SolarPACES csoport készitett egy tanulmányt a napenergia felhasználásnak a jövőjéről. A tanulmány megállapította, hogy a koncentrált napenergia akár a világ energiaszükségletének 25%-át is elérheti 2050-re. Az ezzel kapcsolatos beruházási tevékenység a jelenlegi 2 milliárd euróról világszerte 92,5 milliárd euróra nőhet. Spanyolország a több mint 50 a kormány által jóváhagyott projekt révén a vezetője a koncentrált napenergia technológiának, ráadásul a technológiát is exportálja, mely tovább növeli világszerte a napenergia előállitásának presztizsét. A sivatag kitűnő lehetőség a technológia megvalósitásához, ezért a szakértők előrejelzései szerint a legnagyobb növekedést olyan helyeken várják, mint Afrika, Mexikó, vagy az Egyesült Államok délnyugati része. A vizsgálat három különböző lehetőséget lát a technológiában: nem nő a CSP technológia, a befektetések továbbra is nőnek, mint ahogy az látható Spanyolországban és az Egyesült Államokban, és végül az igazi potenciált, a CSP akadályok nélküli növekedését. Az alábbi táblázat eredményei eddig a harmadik részt igazolják vissza:
Idő
Beruházás
201 21 mrd euró per 5 év
Kapacitás 420 megawatts
205 174 mrd euró per 1500 0 gigawatts év
Végül a tanulmány bemutatta, hogy a CSP technológia folyamatosan javul, és ez hogyan eredményez majd drasztikus árcsökkenést 2050-ig. Az előrejelzések szerint a jelenlegi 0,23-0,15 euró per kilowattóra csökkenni fog egészen 0,14-0,10 euró kilowattórára. Nemrég az EU elkezdett foglalkozni egy € 400 mrd (774 mrd $) értékű CSP naperőmű rendszer felépítésével a szaharai térségben, mely program a Desertec nevet kapta. Ez része egy szélesebb tervnek "egy új szén-dioxid-mentes összekötő hálózat létrehozásának Európa, a Közel-Kelet és ÉszakAfrika között". A terv mögött főként német iparosok állnak és a rendszer Európa energiatermelésének 15%-ának előállítását tervezi 2050re. Marokkó egyik fő partnere a Desertec programnak és jelenleg az EU villamosenergia-fogyasztásának alig 1%-át adja. A jövőben az ország teljes saját energiakészletét meg fogja termelni és energia többletet fog szállítani Európának. Más szervezetek a hatékonyság javítása és a tömegtermelés kialakítása miatt a CSP-t 0,06 (US) / kWh-ra tervezik 2015-re. Ez a CSP-t olyan olcsóvá tenné, mint a konvencionális energia. A befektetők is csökkenésre számítanak, mint például a kockázati tőkés Vinod Khosla, aki úgy számítja, hogy a CSP költségei folyamatosan csökkenni fognak és ez az energia 2015 után ténylegesen olcsóbb lesz, mint a széntüzelés. 2009 szeptember 9-én, azaz 13 hónappal ezelőtt, Bill Weihl, Google.org 's zöld energia cárja azt mondta, hogy a vállalati kutatások elvégzését követően azt reméli, hogy a heliostat tükrök és gázturbinás termikus napenergia technológia révén kevesebb, mint $ 0.05/kWh-ra fog csökkenni a villamosenergia költsége 2 vagy 3 éven belül. 2009-ben a Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium (NREL) és SkyFuel tudósai összeálltak annak érdekében, hogy kidolgozzanak olyan nagy hajlított fémlemezeket, amelyek a lehetőséget adnak,
hogy 30%-kal olcsóbbak legyenek, mint a mai legsikeressebb koncentrált napenergia gyűjtő anyagok. Az üveg-alapú modelek helyett, egy ezüst polimer lapot fejlesztenek ki, amely ugyanazt a teljesítményt tudja majd előállítani, mint a nehéz üveg tükör, de sokkal alacsonyabb költséggel és sokkal kisebb tömeggel. Ezt sokkal egyszerűbb telepíteni és terjeszteni. A fényes film többféle polimer réteget alkalmaz, amelynek belső rétege tiszta ezüst. Források http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrating_Solar_Power, 23.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector, 25.11.2010 http://www.solarturm-juelich.de/en Ez a szakmai anyag az Interreg IV. C program Megújuló Energia Transzfer Rendszer - Renewable Energies Transfer System (RETS) projekt keretében került bemutatásra, melynek a finanszirozását az Európai Regionális Fejlesztési Alap látta el. A projekt 2010. januártól 2012. decemberig tartott. Ha további információra lenne szüksége, az alábbi honlapon ezek elérhetők: http://www.retscommunity.eu/
