دانلود رایگان مقاله تجاری سازی جدید ذخیره خورشیدی به صورت متمرکز

چکیده

          ذخیره سازی نمک مذاب در حال حاضر برای نیروگاه های متمرکز سازی توان خورشیدی (CSP)، به صورت تجاری در دسترس است تا اجازه دهد توان خورشیدی بر اساس تقاضا تولید شود و از منابع تجدید پذیر متغیر مانند باد و فتوولتائیک پشتیبانی نماید. اولین نیروگاه های CSP که با ذخیره نمک مذاب به صورت تجاری راه اندازی شده اند، از متمرکز کننده های سهمی وار استفاده کرده اند به طور مثال نیروگاه Andalsol-1. نوع جدیدی از نیروگاه ذخیره سازی که اکنون به وضعیت تجاری در آمده است که برج نیروی Torresol Gemasolar با نیروی 9/19 مگاوات و با 15 ساعت ذخیره سازی نمک مذاب، در ماه می 2011 در اسپانیا به صورت آنلاین وارد بازار شده است. مزایای سیستم های ذخیره برج نیرو شامل  حذف روغن برای انتقال حرارت و مبادله کننده حرارتی مربوطه، نیاز به نمک کمتر، کارآیی بالاتر سیکل بخار، سازگاری بهتر با خنک کننده های هوا، بهبود عملکرد در زمستان، و ساده تر شدن الگوهای لوله کشی  است. پیشرفتهای دیگر در این زمینه شامل بهبود خصوصیات حرارتی نمکهای مذاب و توسعه راه حلهای ذخیره انرژی در یک مخزن می باشد. پیشرفت های اخیر در تکنولوژی ذخیره سازی نمک مذاب با ارتقا به صورت برنامه ریزی شده با شروع ساخت نیروگاه 110 مگاواتی تا آگوست 2011 در نوادا توسط شرکت solarreserve  است. پیشرفت‌های دیگر شامل بهبود خصوصیات حرارتی نمک‌های مذاب و بهبود راه حل‌های ذخیره‌سازی در یک مخزن است. با این پیشرفت‌ها، به زودی CSP برای آماده کردن نیروی خورشیدی قابل ارسال، با ظرفیتی جهت آماده سازی ذخیره سازی انرژی برای 100 درصد شبکه‌های نیروی برق تجدید پذیر در کشورهای کمربندی خورشیدی ادامه می‌دهد.

1. مقدمه

           متمرکز کردن توان خورشیدی (CSP)، می تواند انرژی تجدید پذیر را تماما در یک نیروگاه تولید و ذخیره کند. برق قابل ارسال را، به عنوان یک ترکیب اغواکننده در دهانه اپراتور های شبکه، تحویل دهد. آینه‌های سهمی وار انرژی خورشیدی را روی یک نقطه کانونی داغ متمرکز می کنند. این گرما می‌تواند برای تولید بخار جهت تولید فوری برق استفاده شود یا از طرف دیگر، می تواند از قبل برای تولید برق با استفاده ازنمک مذاب، مخازن حرارتی محسوس در جامدات، نمک‌های تغییر فاز یا سیکل‌های ذخیره ترموشیمیایی ذخیره شود. در هنگام نیاز این انرژی ذخیره شده می تواند برای تولید بخار و راه اندازی توربین ها استفاده شود. با این روشف منابع انرژی تجدید پذیر متغیر مانند باد و فتوولتائیک (تابش خورشید) می تواند برای شبکه انتقال داده شود و یک "پشتیبان" با استفاده از نیروگاه ‌های خورشیدی متمرکز با ذخیره سازی آماده کند.

          از میان روش‌های لیست شده ذخیره‌سازی CSP،هم اکنون ذخیره سازی نمک مذاب تنها روش ذخیره استفاده شده در نیروگاه‌ های CSP تجاری است. ذخیره سازی CSP نمک مذاب از پایان سال 2008 به صورت تجاری درآمده است یعنی زمانی که Andalsol-1 50 مگاوات برق از طریق نیروگاه تولید برق با 5/7 ساعت ذخیره نمک مذاب، نزدیک Guadix در ایالت گرانادا، اسپانیا، آغاز کرد. از جولای 2011، به طور مشابه هفت نیروگاه (سهموی) (سهموی) فرعی  50 مگاواتی سهمی وار، با 5/7 ساعت ذخیره سازی نمک مذاب در اسپانیا به صورت آنلاین وارد کار شد که مجموع را به هشت می رساند. Andalsol-1، Andalsol-2، Extresol-1، Extresol-2،  Manchasol-1 ، Manchasol-2، La Florida  و La Dehesa. Andalsol-2 نزدیک به Andalsol-1 واقع شده است(شکل 1)، در حالی که Manchasol-1 و Manchasol-2  در ایالت Ciudad Real واقع شده اند و چهار نیروگاه بعدی همه در ایالت Badajoz  واقع شده اند. 17 نیروگاه (سهموی) (سهموی) فرعی  دیگر با ذخیره سازی نمک مذاب در مرحله پیشرفته ساخت واقع در اسپانیا می‌باشند و تعداد بیشتری طرح ریزی شده اند. اما یک تکنولوژی جدید با وارد کردن ذخیره سازی CSP وجود دارد و با برخی ویژگی‌های پیشرفته از راه می‌رسد.

           در آغاز ماه می 2011، برج قدرت 9/19 مگاواتی  Torresol Gemasolar که در شکل 2 نشان داده شده است با فروش توان به یک شبکه نزدیک Fuentes de Andalucia  در ایالت Seville، اسپانیا آغاز به کار کرد. اجرای تست‌های Gemasolar از ماه مارس 2011 انجام شده بود. بنابراین Gemasolar به اولین برج قدرت تجاری که با ذخیره سازی قابل حمل کار می کرد. توسعه دهنده و اپراتور، انرژی Torresol مستقر در (ویزکایا)Vizcaya ، اسپانیا یک معامله مشترک بین شرکت مهندسی اسپانیایی SENER (60%) که مقر آن در (ویزکایا)Vizcaya است و مصدر ابوظبی (40%) از امارات متحده عربی است. ساخت نیروگاه به وسیله یک قرارداد مشترک بین SENER و Cobra Enegia در مادرید انجام شده است.

          Gemasolar یک توربین گازی با ظرفیت 9/19 مگاواتی و ظرفیت خالص 17 مگاوات در طول روز دارد. این ظرفیت خالص می‌تواند در طول شب نیز تا حدود 17 مگاوات افزایش یابد یعنی زمانی که بار نشتی پایین تری وجود دارد زیرا در شب لازم نیست نمک بالای برج به سمت گیرنده ها پمپاژ شود و عملیات میدانی آینه‌ها نیز وجود ندارد. مشابه نیروگاه‌های (سهموی) (سهموی) فرعی  بحث شده در بالا، Gemasolar از نمک مذاب برای ذخیره انرژی استفاده می کند اما در این حالت ، ذخیره سازی کافی برای 15 ساعت عملیات  پس از تاریکی در ظرفیت کامل 19.9 مگاوات فراهم شده است. این امر باعث می شود Gemasolar سالانه تا ضریب ظرفیت 74% از خورشید را، به طور سالانه به تنهایی فعالیت نماید. یک نیروگاه خالص با در نظر گرفتن ظرفیت 17 مگاواتی، با ظرفیت سالانه 74% بدین معنی است که Gemasolar، از مجموع ممکن 148 920 MWh/y، 110 000 MWh/y به طور خالص تولید می کند اگر با خروجی خالص 17 مگاواتی ، 24 ساعت در روز و 365 روز در سال کار کند. در مقابل نیروگاه های (سهموی) فرعی  مذکور با ذخیره سازی، ضریب ظرفیت حدود 41% دارند. از نقطه نظر فنی ضریب ظرفیت نیروگاه (سهموی) فرعی  می‌تواند به وسیله افزایش اندازه میدانی آینه و ذخیره سازی مقایسه شده با توربین افزایش یابد. اگر چه، همانطور که در این مقاله بحث شد، با فناوری (سهموی) فرعی  جاری، گزینه ای با جذابیت کمتر از لحاظ اقتصادی نسبت به ساخت یک برج قدرت با ضریب ظرفیت بالا است.

         این بررسی تاریخچه ای از توسعه برج قدرت نمک مذاب، ویژگی های ممتاز این تکنولوژی، مطالعه موردی نیروگاه Gemasolar و پیشرفت‌های نزدیک که می توان از این حوزه انتظار داشت را ارائه می‌دهد.

2. تاریخچه برج‌های قدرت نمک مذاب

           اولین برجهای قدرت برای گرم کردن مستقیم نمک مذاب برج 2.5 مگاوات THEMIS در Pyre´ne´es فرانسه ، و پروژه آزمایشی الکتریکی نمک مذاب 1 مگاواتی MWe (MSEE / Cat B) در ایالات متحده بودند که هر دو عملیات خود را در سال 1984 شروع کردند.

          اینها توسط دو برج قدرت خورشیدی 10 مگاوات در نزدیکی بارستو ، کالیفرنیا ، دنبال شده بودند  که با 3 ساعت از ذخیره نمک مذاب طرح ریزی شده بودند، و از سال 1996 تا 1999 به بهره برداری رسید(نگاه کنید به شکل 3). هزینه دو پروژه خورشیدی بین وزارت انرژی ایالات متحده  و شرکای صنعتی، با حمایت  فنی از آزمایشگاه های ملی Sandia و آزمایشگاه‌های ملی انرژی های تجدید پذیر تقسیم شده بودند (NREL). لیست کاملی از شرکت‌کنندگان در پروژه توسط Pacheco پاچکو و همکاران آورده شده است . [3] پروژه Solar Two هم به عنوان مایع انتقال حرارت و هم تکنولوژی ذخیره سازی نسبت به متمرکز کننده برج قدرت Solar One مقاوم سازی شده است. Solar One با یک گیرنده بخار و ذخیره سازی نفت / سنگ از سال 1982 تا 1988 کار می کند. از طرف دیگر، از طرف دیگر ، Solar Two ، تکنولوژی برج قدرت نمک مذاب را در مقیاس وسیع به نمایش گذاشت و به توصیه های عملی برای تجاری سازی این تکنولوژی منجر شد.

         به دلیل عدم انگیزه های سیاسی، برج های قدرت نمکی مذاب از سال 1999 تا نوامبر 2008 ساخته نشدند ،تا زمانی که ساخت برج قدرت Torresol Gemasolar آغاز شد. در ابتدا همان طور که پروژه خورشیدی Tres –اسپانیایی برای - -Solar Treesتصور می شد[16] ، [17] - برج Gemasolar بر اساس تجربیات به دست آمده در طی دوره بهره برداری از امکانات تحقیقاتی Solar One و Solar Two  در ایالات متحده ، به همراه پروژه خاص مهندسی کامل شده توسط SENER بنا شده است.

3. اصول ذخیره سازی نمک مذاب

          یکی از مهمترین مشخصه های استفاده از سیستم ذخیره سازی حرارتی، کارایی بسیار بالایی ذخیره سازی ، با کارایی سالانه 99٪ برای نیروگاه های تجاری فراهم می‌سازد [3]. تنها تلفات آن هم ناشی از موارد زیر است:

• اتلاف آهسته حرارت از طریق دیواره های مخزن که از طریق عایق بندی می توان این اتلاف را به حداقل رساند.

• فرآیند تبادل حرارت بیم محیط ها برای مثال بین نمک و بخار برای برج مرکزی، یا از روغن به نمک، از نمک به روغن و سپس به بخار در یک سیستم سهموی.

ABSTRACT

        Molten-salt storage is already commercially available for concentrating solar power (CSP) plants, allowing solar power to be produced on demand and to Bbackup[ variable renewable sources such as wind and photovoltaics. The first CSP plants to operate commercially with molten-salt storage utilized parabolic trough concentrators, for example, the Andasol-1 plant. A new type of storage plant has now reached commercial status, with the 19.9-MWe Torresol Gemasolar power tower, featuring 15 h of molten-salt storage, having come online in Spain in May 2011. Advantages of the power tower storage system include the elimination of heat transfer oil and associated heat exchangers, a lower salt requirement, higher steam cycle efficiency, better compatibility with air cooling, improved winter performance, and simplified piping schemes. Near-term advances in molten-salt power tower technology include planned up-scaling, with SolarReserve due to begin constructing a 110-MWe plant in Nevada by August 2011. Other advances include improvements to the thermal properties of molten salts and the development of storage solutions in a single tank. With these developments at hand, CSP will continue to provide dispatchable solar power, with the capacity to provide energy storage for 100% renewable electricity grids in sun-belt countries.

I. INTRODUCTION

        Concentrating solar power (CSP) can both generate and store renewable energy all in the one plant, delivering dispatchable powerVan enticing combination in the eyes of a grid operator. Parabolic mirrors concentrate the sun’s energy to a hot focus. This heat can be used to produce steam for immediate electricity generation, or alternatively it can be stored prior to electricity generation using molten salt [1]–[3], sensible heat storage in solids [4]–[6], phase change salts [7], or thermochemical storage cycles [8]– [10]. When required, this stored energy can be used to produce steam and drive a turbine. In this way, variable renewable energy sources such as wind and photovoltaics can be dispatched to the grid first, and the Bbackup[ provided by concentrating solar plants with storage.

        Of the CSP storage methods listed, molten-salt storage is the only storage currently used in commercial CSP plants. Molten-salt CSP storage has been commercially proven since the end of 2008, when the 50 MWe (MW electric) Andasol-1 trough plant (Fig. 1) began power production with 7.5 h of molten-salt storage, near Guadix in the province of Granada, Spain [11]. As of July 2011, seven similar 50-MWe parabolic trough plants, each with 7.5 h of molten-salt storage have come online in Spain, bringing the total to eight: Andasol-1, Andasol-2, Extresol-1, Extresol-2, Manchasol-1, Manchasol-2, La Florida, and La Dehesa [12]. Andasol-2 is located adjacent to Andasol-1 (see Fig. 1), while Manchasol-1 and Manchasol-2 are located in the province of Ciudad Real, and the latter four plants are all located in the province of Badajoz. Another 17 trough plants with molten-salt storage are in advanced stages of construction in Spain [12], and more are planned. But there is a new technology entering the CSP storage market, and it comes with some advanced features.

        At the beginning of May 2011, the 19.9-MWe Torresol Gemasolar power tower shown in Fig. 2 began selling power into the grid near Fuentes de Andalucı´a in the province of Seville, Spain. Test runs of the Gemasolar power tower had been carried out since March 2011. Gemasolar thus became the first commercial power tower to operate with dispatchable storage.1 The developer and operator, Torresol Energy based in Vizcaya, Spain, is a joint venture between the Spanish engineering firm SENER (60%), also headquartered in Vizcaya, and Abu Dhabibased Masdar (40%) from the United Arab Emirates. Plant construction has been carried out by a joint venture between SENER and Madrid-based Cobra Energı´a.

         Gemasolar has a gross turbine capacity of 19.9 MWe, and a net capacity of 17 MWe during daylight hours. This net capacity can increase above the 17 MWe overnight when there are lower parasitic loads, as at night it is not necessary to pump salt up the tower to the receiver, and there is no mirror field operation. Like the trough plants discussed above, Gemasolar uses molten salt to store energy, but in this case, enough storage is provisioned for 15 h of operation after dark at the full 19.9-MWe gross capacity. This will allow Gemasolar to operate at an annual capacity factor of 74% from solar alone [14]. Given a net plant capacity of 17 MWe, an annual capacity factor of 74% means that Gemasolar will produce 110 000-MWh/y net, out of a possible total of 148 920 MWh/y if it operated at 17-MWe net output, 24 h a day, 365 days a year. In contrast, the aforementioned trough plants with storage have a capacity factor of around 41% [1]. From a technical point of view, the capacity factor of a trough plant could be increased by increasing the size of the mirror field and storage compared to the turbine. However, as discussed in this paper, with current trough technology this is a less attractive option economically than constructing a power tower with high capacity factor.

        This review presents a history of molten-salt power tower development, the unique features of this technology, the case-study of the Gemasolar plant, and the near-term advances that can be expected in this field.

II. HISTORY OF MOLTEN-SALT POWER TOWERS

        The first power towers to directly heat molten salt were the 2.5-MWe THEMIS tower in the French Pyre´ne´es, and the 1-MWe Molten-Salt Electric Experiment (MSEE/Cat B) Project in the United States, both of which began operation in 1984 [15], [16]. These were followed by the 10-MWe Solar Two power tower near Barstow, CA, which featured 3 h of molten-salt storage, and operated from 1996 to 1999 (see Fig. 3) [3], [15]. The cost of the Solar Two project was shared between the U.S. Department of Energy, and various industry partners, with technical support from Sandia National Laboratories and the National Renewable Energy Laboratory (NREL). A full list of project participants is given by Pacheco et al. [3]. The Solar Two project retrofitted molten salt, both as heat transfer fluid and storage technology, to the existing Solar One power tower concentrator. Solar One operated with a steam receiver, and oil/rock storage from 1982 to 1988. Solar Two, on the other hand, demonstrated molten-salt power tower technology at a large scale, and resulted in practical recommendations for the commercialization of the technology.

        Due to a lack of policy incentives, no molten-salt power towers were constructed from 1999 until November 2008, when construction began on the Torresol Gemasolar power tower. Originally conceived as the Solar Tres project [16], [17]VSpanish for BSolar Three[Vthe Gemasolar tower builds on the experiences gained during the operation of the Solar One and Solar Two research facilities in the United States, with project-specific engineering completed by SENER.

III. THE PRINCIPLE OF MOLTEN-SALT STORAGE

        One of the most important characteristics of using a thermal storage system is the very high efficiency of the storage, with an annual efficiency of 99% possible for commercial plants [3]. The only losses come from:

• slow heat loss through the tank walls, which is kept to a minimum via insulation;

• the heat exchange process between mediums, i.e., salt to steam for towers, or oil to salt, salt to oil, and then to steam, in the case of a trough system.

چکیده

1. مقدمه

2. تاریخچه برج‌های قدرت نمک مذاب

3. اصول ذخیره سازی نمک مذاب

4. خصوصیات نمک مذاب

5. مقایسه نیروگاه های ذخیره سازی برج و (سهموی) فرعی 

A. نیروگاه‌های (سهموی) فرعی  با ذخیره سازی

B. نیروگاه‌های برج با ذخیره سازی

6. مشخصه های نیروگاه Gemasolar

7. پیشرفت در ذخیره سازی نمک مذاب

A. برج‌های قدرت نمک مذاب با مقیاس بالا

B. مخلوط های پیشرفته نمک

C. مخازن نمک ترموکلین

D. پروژه نمک مذاب دیگر

8. خلاصه

منابع

ABSTRACT

1. INTRODUCTION

2. HISTORY OF MOLTEN-SALT POWER TOWERS

3. THE PRINCIPLE OF MOLTEN-SALT STORAGE

4. MOLTEN-SALT PROPERTIES

5. A COMPARISON OF TROUGH AND TOWER STORAGE PLANTS

A. Trough Plants With Storage

B. Tower Plants With Storage

6. GEMASOLAR PLANT CHARACTERISTICS

7. ADVANCES IN MOLTEN-SALT STORAGE

A. Up-Scaling Molten-Salt Power Towers

B. Advanced Salt Mixtures

C. Thermocline Salt Tanks

D. Other Molten-Salt Projects

8. SUMMARY

REFERENCES