Pokročilé termodynamické cykly

Transkript

1 Pokročilé termodynamické cykly 9. přednáška Autor: Jiří Kučera Datum:

2 Tepelné cykly solárních elektráren Úvod do problematiky solární energetiky Konstrukční provedení solárních koncentrátorů Parabolický žlab Parabola Solární věž Lineární Fresnelův reflektor CSP s akumulátory tepla s konvenčním médiem s roztavenými solemi Tepelné cykly solárních elektráren Nízkoteplotní cykly s parní turbínou Vysokoteplotní cykly s parní turbínou Vysokoteplotní cykly s plynovou turbínou Stirlingův cyklus Zvláštní aplikační případy Solární cyklus pro odsolování Kombinace solárního zařízení a paroplynového cyklu 2

3 Úvod do problematiky solární energetiky Zdroj tepelné energie: Zdrojem energie pro solární elektrárny je Slunce V jádru probíhá za vysokého tlaku a teploty jaderná syntéza (slučování jader vodíku resp. i jeho izotopů deuteria a tritia za vzniku jader helia) V jádru teplota: K Na povrchu: 5700 K Intenzita slunečního záření (na povrchu Země): určuje vhodnost dané lokality k využití solárního zdroje jednáseomnožstvíslunečníenergievkwhdopadajícízaroknam 2 povrchu Země. Závisí na: zeměpisné šířce průměrném počasí množství oblačnosti Skládá se z: = přímé záření + difuzní záření Přímé záření - Sluneční záření, které při průchodu atmosférou není odraženo ani pohlceno a znovu vyzářeno. Právě tento druh záření dokážou využít koncentrační solární elektrárny (alternativní názvy : concentrated solar power, concentrating solar power, concentrated solar thermal) s nimi se budeme v předmětu ATC zabývat a budou uváděny pod jednotnou zkratkou CSP. Difuzní záření - Sluneční záření, které se odrazilo od částeček obsažených v atmosféře (vodní kapky, prach...) a tím se změnil směr. Vlnová délka tohoto záření zůstává stejná jako před odrazem. Množství tohoto záření závisí na oblačnosti a znečištění atmosféry. Tyto jevy celkově zmenšují množství přímého záření(např. při zatažené obloze dopadá na povrch Země pouze difuzní záření). 3

4 Úvod do problematiky solární energetiky Intenzita slunečního záření - porovnání ČR, Evropa, svět Zdroj: cs.wikipedia.org/wiki/sluneční_energie 4

5 Konstrukční provedení solárních koncentrátorů Rozdělení konstrukčních variant 1) Parabolický žlab 1) 2) 2) Parabola 3) Solární věž 4) Lineární Fresnelův reflektor 3) 4) Zdroj: 5

6 Parabolický žlab Základní princip: Pro koncentraci slunečních paprsků se využívá vhodně zakřivená plocha - parabolický žlab. V ohnisku je připevněno potrubí, ve kterém cirkuluje tekutina, která je koncentrovanými paprsky zahřívána. Důležitou vlastností této konstrukce je její možnost natáčet žlab ideálně vůči poloze Slunce. Z tohoto důvodu se osa žlabu orientuje sever jih. Tímto způsobem lze zachycovat paprsky již 10 nad obzorem. Zdroje: 6

7 Parabolický žlab Teplonosná tekutina: Minerální olej Vysokoteplotní syntetický olej Roztavené soli Tzv. konvenční média - maximální teplota zahřátí cca 400 C překročení teploty dochází k velice rychlé degradaci oleje Vlastnosti: Solar salt 60% NaNO3 40% KNO3 (při 300 C) Therminol VP-1 (při 40 C) Bod tuhnutí [ C] Tepelná stabilita do [ C] Hustota [kg/m3] Viskozita [mm 2 /s] 3,26 2,48 0,271 Tepelná kapacita [J/kg.K] Therminol VP- 1 (při 300 C) Potrubí: Vnější potrubí borosilikátové sklo Vnitřní potrubí nerezová ocel 316L Meziprostor vakuum, vytvořené přes vakuový ventil Těsnění těsnéspojenísklo kov Vlnovec Zdroje: 7

8 Parabola Základní princip: Pro koncentraci slunečních paprsků se využívá vhodně zakřivená plocha parabola(parabolický disk) Odraz slunečních paprsků do ohniska paraboly (jejich koncentrací lze dosáhnout značně vysokých teplot až 1000 C) V ohnisku paraboly je zpravidla umístěno lokální zařízení např. Stirlingův motor Samostatné energetické jednotky (a) Typy parabolických disků- jsou tvořeny: a) Parabolickým zrcadlem(mono) b) Soustavou menších tvarovaných zrcadel c) Skupinou menších parabol se společným ohniskem Pro maximální využití tohoto zařízení se vyžaduje natáčení do optimální pozice vůči Slunci. (b) Zdroje: (c) 8

9 Solární věž Základní princip: Tento typ je složen z velkého množství pohyblivých zrcadel (heliostatů), které koncentrují sluneční světlo do jednoho místa -zpravidla na vrcholu vysoké věže, kde se dosahuje teplot 500 C 1500 C Směr natočení a sklon jednotlivých heliostatů počítačově řízen dle polohy Slunce Ve vrcholku věž se dle typu cyklu CSP(*) ohřívá vhodné médium (vzduch, voda, sůl) Toto ohřáté pracovní médium lze pak následně odvádět do energetické jednotky nebo do akumulačních uložišť CSP = Concentrated solarpower = elektrárna na principu koncentrované sluneční energie => typ solárních elektráren jimiž se v předmětu ATC zabýváme Hlavní části: Heliostaty (s možností natáčení) Koncentrátor umístěný na vrcholu věže Akumulační systém pro chod elektrárny po západu Slunce Výměník tepla dle typu CSP Zdroje: 9

10 Lineární Fresnelův reflektor Základní princip: Lineární koncentrátory jsou reprezentovány pomocí rovinných zrcadel, které jsou uspřádána na principu Fresnelových čoček podél lineárního absorbéru ve kterém proudí médium, kterému se energie předává Shora bývá umístěn sekundární reflektor, z vrchní strany izolován skelnými vlákny Topené médium může být: voda, roztavené soli, olej Každé rovinné zrcadlo je uloženo tak, aby byla možnost nezávislého natočení vůči ostatním Rozdíly s parabolickým žlabem: Cenově podstatně levnější Menší účinnost jednotlivého zrcadla (ale do stejného prostoru se vejde více zrcadel, takže výsledná schopnost koncentrace sluneční energie může být i vyšší než u parabolického žlabu) Modulárnost sestav spojenou se snazší regulací výkonu Více sériově vyráběných komponent Zdroje:

11 CSP s akumulátory tepla s konvenčním médiem (olejem) s roztavenými solemi 11

12 CSP s akumulačními nádržemi Důvod připojení akumulačních nádrží: Poptávka po energii mezi denní a noční dobou kolísá proto je nutné shromažďovat tepelnou energii i pro dobu, kdy nemáme dostatek energie ze Slunce použití velkých tepelně izolovaných akumulačních nádrží, ve kterých se nachází roztavené soli, kterým byla předána tepelná energie pro pozdější využití Velikosti zásobníků: velké zásobníky - není možnost přívodu tepla jiným způsobem, nutnost uložit dostatek energie pro plánovaný provoz Menší zásobníky - nutné mít zajištěno přídavné paralelní spalování(fosilní paliva, biomasa, vodík) Zdroj: J:Zajíc - semestrální práce Tepelné cykly solárních elektráren 12

13 CPS s akumulačními nádržemi Poměr mezi velikostí zásobníku a výkonem turbíny dle provozu elektrárny: Zpožděná střední zátěž Střední zátěž - tato konfigurace je určena k výrobě elektřiny v době středního a nejvyššího svitu Slunce během dne - turbína o výkonu 250 MW vyžaduje pouze malý skladovací zásobník - Nejnižší investiční náklady a nejlevnější výstup elektřiny - Tato konfigurace je učena k vytváření zásoby energie během celého dne, ovšem elektřina se vyrábí odpoledne a po západu Slunce - turbína o výkonu 250 MW ale vyžaduje pouze větší skladovací zásobník Zdroj: J:Zajíc - semestrální práce Tepelné cykly solárních elektráren 13

14 CSP s akumulačními nádržemi Poměr mezi velikostí zásobníku a výkonem turbíny dle provozu elektrárny: Základní zátěž - tato konfigurace je určena k výrobě elektřiny 24 hodindenněpocelýrok - turbína musí být o výkonu 120 MW a zároveň je potřeba větší skladovací zásobník - levnější výstup elektřiny než u opožděného středního zatížení Špičková zátěž - Tato konfigurace je učena k výrobě elektřiny pouze několik hodin během dne, kdy je energetická zátěžová špička - to vyžaduje turbínu o výkonu 620 MW a zároveň vyžaduje velký skladovací zásobník - Elektřina vyrobená v tomto provozu je z uvedených nejdražší Zdroj: J:Zajíc - semestrální práce Tepelné cykly solárních elektráren 14

15 CSP s akumulačními nádržemi Výhody: Teplo uchovávané v akumulačních zásobnících s až 98% účinností Provozní pružnost a stálost dodávky energií - elektrárnu lze provozovat 24 hodin denně Nevýhody: Investiční náklady Provozní komplikace Pomocné zařízení a spotřeba energie pro roztavení soli Za normálního provozu se roztavená sůl se musí neustále nacházet v kapalném stavu nad teplotou tání Zdroje:

16 CSP s akumulačními nádržemi -s konvenčním médiem Popis zařízení s konvenčním médiem: Zařízení lze rozdělit na 3 různé části: Solární pole- médium olej Akumulační část- médium roztavené soli Energetická část- TG Složeno z řady parabolických zrcadel v jejichž ohnisku se nachází centrální trubice s konvenčním médiem -olej. Výstupní teplota oleje se pohybuje do hodnoty cca 400 C. Tepelná energie oleje se buď předává dle potřeby v parogenerátoru, kde se generuje pára pro pohon standartní parní turbíny s generátorem pro výrobu elektrické energie nebo při přebytku proudí teplo přes tepelný výměník do velkých tepelně izolovaných akumulačních nádrží. Takto je uložena a připravena k použití v době špatného počasí, západu Slunce nebo v brzkých ranních hodinách. Zdroj: 16

17 CSP s akumulačními nádržemi -s roztavenými solemi Popis zařízení s roztavenými solemi: Zařízení lze rozdělit na 2 různé části: Solární pole - médium roztavené soli (použito jako přenosové, tak akumulační médium) Energetická část- TG Výhody oproti konvenčnímu médiu: Lze dosáhnout vyšších parametrů páry a tím i vyšší efektivity výroby elektřiny Snížené náklady z důvodu menšího objemu akumulačních nádrží Jednodušší návrh elektrárny není potřeba výměník roztavená sůl - olej Problém: Tato směs se musí ovšem neustále držet v kapalném stavu ve středu parabolických zrcadel, z tohoto důvodu je nutné uvažovat i teplo potřebné k udržení teploty nad teplotou tání po západu Slunce (např. pomocí fosilních zdrojů). Zdroj: 17

18 Tepelné cykly solárních elektráren Nízkoteplotní cykly s parní turbínou Vysokoteplotní cykly s parní turbínou Vysokoteplotní cykly s plynovou turbínou CSP se Stirlingovým motorem 18

19 Nízkoteplotní cykly s parní turbínou 19

20 Nízkoteplotní cykly s parní turbínou Nízkoteplotní cykly s parní turbínou jsou používané zpravidla v kombinaci se solárním polem tvořeným parabolickými žlaby nebo Fresnelovými reflektory a s teplonosným médiem - olejem Parametry páry typicky jsou : Ta = C, pa bar Thrh = Ta - 20 C, p_hrh 0,28*pa (hrh= hot reheat ) Pro udržení přijatelné suchosti v NT části a ve výstupu do kondenzátoru musí být vlhkost z páry po částečné expanzi ve VT dílu separována a pára se přihřívá teplonosným médiem nebo někdy i ostrou parou ve výměníku pára-pára Opčně se může využívat akumulátorů tepla, zpravidla na principu roztavené soli. Chladicí systém může být otevřený (řeka, moře) nebo uzavřený (chladící věž, vzduchové chlazení). Cyklus parní turbíny je vybaven regeneračními ohříváky, neboť není dostatek nízkopotenciálního tepla. Zdroje:

21 Nízkoteplotní cykly s parní turbínou Parní turbíny s přihříváním s menšími nároky na termodynamickou účinnost se s výhodou konstruují jako jednotělesovés otočeným proudem Při vyšších nárocích na termodynamickou účinnost se s zpravidla používají turbíny s vysokootáčkovým VT dílem. Nároky na turbíny pro solární aplikace jsou především z hlediska provozní pružnosti - turbíny musí umožňovat rychlé snížení výkonu na minimum, stabilní minimální provoz a opětovné rychlé zvyšování výkonu. VT-ST-NT Koncept jednotělesové páry turbíny s přihříváním Turbína s vysokootáčkovým VT dílem - Stal VAX Turbína SST výrobce Siemens Zdroje: /downloads/SST-900_en.pdf 21

22 Vysokoteplotní cykly s parní turbínou 22

23 Vysokoteplotní cykly s parní turbínou Vysokoteplotní cykly s parní turbínou jsou používané zpravidla v kombinaci s různými technologiemi solárního pole včetně solárních věží Teplonosným médiem jsou roztavené soli, ale u solárních věží by teplonosným médiem mohl být i vzduch -s přímou generací páry (bez akumulace) Parametry typicky jsou blízké parametrům turbín do uhelných elektráren : Ta = C, pa bar Thrh = Ta, p_hrh 0,28*pa (hrh= hot reheat ) Podobně jako u turbín do uhelných elektráren se pára po částečné expanzi ve VT dílu přihřívá - zpravidla přímo ve výměníku s roztavenou solí Chladicí systém může být otevřený (řeka, moře) nebo uzavřený (chladící věž, vzduchové chlazení) Parní turbíny se konstruují buď jako jednotělesovés otočeným proudem nebo jako dvoutělesovés vysokootáčkovým VT dílem. I zde jsou nároky především z hlediska provozní pružnosti -turbíny musí umožňovat kolísání parametrů, rychlé snížení výkonu na minimum, stabilní minimální provoz a opětovné rychlé zvyšování výkonu. Zdroj: 23

24 Vysokoteplotní cykly s parní turbínou Vysokoteplotním cyklus se solární věží Zdroj: 24

25 Vysokoteplotní cykly s parní turbínou Příklad: Tepelné schéma CSP s vysokoteplotním cyklem: Rice Solar Energy Project Zdroj: Cvičný příklad z Thermoflexu : (S5-07a)SolarThermal_Tower 25

26 Vysokoteplotní cykly s plynovou turbínou 26

27 Vysokoteplotní cykly s plynovou turbínou Vysokoteplotní cykly s plynovou turbínou tj. s využitím Braytonovacyklu jsou zatím ve stádiu prototypů a zkoušek Využívají solárního pole se solární věží Teplonosným médiem je vzduch Vzduch je komprimován jako u konvenčních GT, ale a na vrcholu solárních věže je ohříván působením soustředěné solární energie Technologickou výzvou je dosažení co nejvyšších teplot -což je především otázka konstrukce a materiálů výměníků Zatím je dosahováno teplot 800 C v solární části -na dosažení finální teploty před expanzní částí spalovací turbíny se využívá dohřevu spalováním zemního plynu Za GT by samozřejmě bylo možné zařadit i HRSG a generovat páru pro parní turbínu Schématický řez výměníkem Žhnoucí výměník Uspořádání výměníků na vrcholu věže Pohled zevnitř (bez izolace) Zdroj: 27

28 Vysokoteplotní cykly s plynovou turbínou Zdroj: 28

29 CSP se Stirlingovýmmotorem 29

30 CSP se Stirlingovým motorem Popis zařízení: Pro výrobu elektrické energie se využívá parabola pro koncentraci slunečního záření do ohniska, ve kterém se nachází Stirlingův motor i s elektrickým generátorem střídavého napětí Zařízení musí být schopno natáčení dle polohy Slunce Používásejakosolárníjednotkaovýkonuod3do25KW Solárnípole sestavajednotek-dnesmax kusů (500MW- rekordní účinnost 31,25%- Nové Mexiko) Plánované rozšíření na 850MW Hlavní části: Stirlingův motor Parabola Natáčecí rám Generátor 30

31 CSP se Stirlingovým motorem Probíhající děje: Izotermická komprese - probíhá při konstantní teplotě. Kompresní prostor a výměník tepla (chladič) je udržován na konstantní nízké teplotě. V pracovním plynu probíhá téměř izotermická komprese a plyn odevzdává teplo do chladícího media. Izochorický ohřev - probíhá při konstantním objemu. Pracovní plyn protéká přes regenerátor z chladného prostoru do teplého. V regenerátoru je plyn ohříván a odebírá teplo z jeho hmoty. Toto teplo tam bylo odevzdáno v předcházejícím cyklu chlazení Izotermická expanze - probíhá při konstantní teplotě. Expanzní prostor a připojený výměník tepla (ohřívač) je udržován na konstantní vysoké teplotě. V pracovní plynu probíhá téměř izotermická expanze a plyn přijímá teplo z tepelného zdroje. Izochorické chlazení probíhá při konstantním objemu. Pracovní plyn protéká přes regenerátor z teplého prostoru do studeného. V regenerátoru je plyn ochlazován a odevzdává teplo do jeho hmoty. Toto teplo bude využito v dalším cyklu ohřevu. Podle : motor 31

32 Stirlingův cyklus Hlavní části motoru: Ohřívač/výměník teplé strany (T) dostatečně velká plocha pro zajištění přenosu tepla do pracovního plynu(využití žeber nebo malých trubic) Regenerátor (R) dočasný zásobník tepla umístěný mezi teplým a studeným prostorem (regenerace dostatečného množství tepla pórovitý objem) Chladič/výměník studené strany (S) Dosažení výkonu je podmíněno zvýšením rozdílem teplot mezi částí ohřívanou a chladičem, proto je chladič tvořen výměníkem, který je pokud možno intenzivně ochlazován (např. proudící kapalinou )

33 Stirlingův cyklus Konkrétní provedení motoru: alfa konfigurace -se dvěma pracovními písty. Má teplý a studený válec, každý se svým pístem. Pracovní plyn je přesunován z teplého válce do studeného a naopak. V potrubí mezi válci je regenerátor. alfa konfigurace Stirlingovamotoru beta konfigurace -s jedním pístem a jedním přeháněčem v jednom pracovním válci. Přeháněčslouží pro přesunování pracovního plynu z teplého prostoru do studeného a naopak. Přeháněčmusí být dostatečně velký, aby zajistil účinnou izolaci teplého a studeného prostoru a přesunul dostatek pracovního plynu. beta konfigurace Stirlingovamotoru Podle : motor Obrázky : YK TimesatEnglishWikipedia [GFDL ( CC-BY-SA-3.0 ( orcc BY 2.5 ( via Wikimedia Commons a Zephyrisat the English language Wikipedia [GFDL ( or CC-BY-SA-3.0 ( via Wikimedia Commons

34 Stirlingův cyklus Pracovní cyklus Stirlingova motoru v alfa konfiguraci 1. Většina pracovního plynu je v teplém válci v kontaktu s jeho horkými stěnami. Plyn se zahřívá, jeho tlak roste a teplý píst je tlačen od horké hlavy válce. Expanze poté pokračuje ve studeném válci jehož píst je 90 pozadu za teplým pístem v cyklu klikového mechanismu. Studený válec začíná odebírat teplo plynu, který sem proudí z horkého válce. 3. Skoro všechen plyn je ve studeném válci a dále se ochlazuje. Studený píst hnaný klikovým mechanismem (nebo jiným párovým pístem na tom samém hřídeli) začíná stlačovat ochlazený pracovní plyn. Chladný plyn má menší tlak, ke stlačení proto stačí vykonat menší práci, než jaká se uvolnila při expanzi horkého plynu. 2. Plyn má největší objem. Píst teplého válce začíná klesat. Plyn proudí do studeného válce, kde se ochladí a tím klesá jeho tlak. 4. Plyn dosáhl minimálního objemu. Bude se v teplém válci ohřívat a expandovat. Přitom bude pohánět teplý píst při pracovním zdvihu. Podle : motor Obrázky : Zephyrisat the English language Wikipedia [GFDL ( or CC-BY-SA-3.0 ( via Wikimedia Commons

35 Stirlingův cyklus Výhody: Lze využít jakýkoliv zdroj tepla odpadní teplo, geotermální, solární, biomasa, atd. Velice tichý chod Vysoká životnost Nevýhody: Vysoká pracovní teplota ohříváku kvalitní materiály Těsnění motoru aby bylo zachováno natlakování(kritické zvlášť u alfa konfigurace) Vysoké výrobní ceny Špatný poměr výkonu k velikosti/hmotnosti/ceně

36 Kombinace solárního zařízení a paroplynového cyklu tzv. Hybrid Integrated Solar Combined Cycle 36

37 Kombinace solárního zařízení a paroplynového cyklu Princip: Cyklus založený na principu kombinace: solární elektrárny + paroplynovým cyklem (Braytonův cyklus a Rankinův cyklus ) Popis schématu: Jedná se vlastně o běžný PPC, kde se teplo ze solárního cyklu spolupodílí na generaci páry pro parní turbínu. Pro přehřívání a přihřívání a generaci další páry se s výhodou využívá teplo ze spalin z GT. Chladicí systém může být otevřený (řeka, moře) nebo uzavřený(chladící věž, vzduchové chlazení). 37

38 Kombinace solárního zařízení a paroplynového cyklu Příklad- Hassi R Mel(Alžír): Solární část elektrárny o rozloze m 2 a výkonu až 25 MW pracuje na principu CSP. Spolupracuje s 130 MW elektrárnou s kombinovaným cyklem a vytváří tak zdroj o výkonu přibližně 150 MW. Tak se podařilo oproti klasické elektrárně dosáhnout snížení emisíco 2 vpoměruvýkonůsolárníaklasické části. V tomto projektu je použito: jednotělesová vysokotlaká turbína SST-900 bez přihřívání o výkonu81mw dvěplynovéturbínysiemens,řadysgt-800ovýkonu2x47mw akumulace solární energie do nádrží s roztavenou solí Porovnání: Klasická elektrárna využívající kombinovaný cyklus s plynem jako palivem dosahuje účinnosti 50-55%. U ISCC je do cyklu zařazen další výměník, ten využívá energii uchovávanou v akumulačních nádržích s roztavenou solí. Při porovnání z ekonomického pohledu se díky zařazení solární elektrárny do kombinovaného cyklu jeví výtěžnost u ISCC elektrárny vyšší než 70%. Zdroje:

39 Kombinace solárního zařízení a paroplynového cyklu Výhody: Úspora primárních zdrojů Snížené emise CO 2 Parametry spalin z GT umožňují zvýšit teplotu páry pro parní turbínu, tj. je možné použít solární zařízení s parabolickým žlabem nebo Fresnelova reflektoru Možnost provozu i při nedostatku slunečního záření Nevýhody: Kombinace dvou různých technologií Technicky optimální, ale ekonomicko/politicky problematické zařízení, pro které je obtížné korektně nastavit dotační politiku -protože se nejedná o čistě bezemisní technologii má omezenou možnost dotací 39

40 Solární cyklus pro odsolování 40

41 CSP s odsolovacím zařízením Popis zařízení CSP pro odsolování -typu MED : Zdrojem tepla je solární pole s parabolickými žlaby, kde se ohřívá teplonosné médium, které předává teplo v parogenerátoru, kde se generuje pára pro protitlakou parní turbínu. Výstupní pára z turbíny předehřívá první stupeň odsolovacího zařízení. Zbytek procesu odpovídá MED technologii, tj. další stupně MED odsolovacího zařízení jsou ohřívány nezkondenzovanou parou přepouštěnou z předešlého stupně o vyšším tlaku. V MED stupních postupně klesá tlak a teplota. Přiváděná mořská voda je rozstřikována v horní části jednotlivých MED stupňů v nichž se ohřívá a částečně odpařuje a uvnitř trubek kondenzuje čistá pára. Zkondenzovaná čistá pára -kondenzát -se akumuluje, část z něj je po úpravě vracena do cyklu (po úpravě) ke generaci páry a zbytek je užitečným výstupem -produktem cyklu je čistá H 2 O. 41

42 CSP s odsolovacím zařízením Zdroj: 42

43 Děkuji za pozornost 43