kominy_sloneczne - Politechnika Rzeszowska

Dr inż. Mariusz Szewczyk
Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Termodynamiki
35-959 Rzeszów, ul. W. Pola 2
zasada działania
Manzanares
Mildura
Systemy solarne
Kominy słoneczne
BMi
L
w
1951
Budowa – elementy składowe
Koncepcję komina słonecznego do produkcji energii elektrycznej przedstawiono w
1903 r. w Hiszpani, opis przedstawiono 1931 r. w Niemczech, a opatentowano w 1975 r.
Główne elementy zapewniające pracę wieży to:
• kolektor promieniowania słonecznego - szklarnia bez ścian bocznych otaczająca wieżę
i zwiększająca swą wysokość od zewnątrz ku kominowi, w której następuje nagrzanie
powietrza,
• komin w którym nagrzane powietrze wytwarza siłę wyporu – ciąg kominowy,
• turbina umieszczona w kominie lub zespół turbin otaczających podstawę komina
napędzające generatory,
• elementy akumulacyjne - czarne pojemniki (rury, zbiorniki) z wodą, głazy bazaltowe,
bloki ciemnego betonu zapewniające całodobową pracę instalacji.
BMi
L
w
1951
Zasada działania
Powietrze pod szklarnią, przejmuje
na drodze konwekcji energię cieplną
od gruntu ogrzanego na skutek
pochłaniania promieniowania
słonecznego i efektu cieplarnianego.
Na skutek, wywołanej różnicą
temperatury, różnicy gęstości
powietrza u podstawy wieży i na
wysokości jej wylotu, w wieży
wytwarza się ciąg kominowy i w
konsekwencji powietrze pod szklarnią
przemieszcza się w kierunku komina.
Niewielka na obrzeżach szklarni prędkość powietrza, na skutek zmniejszania się
pola przekroju przepływu oraz wzrostu temperatury powietrza w czasie jego
przepływu w kierunku wieży, wzrasta do około 15 m/s. Taka prędkość jest
odpowiednia, aby umieszczone przy podstawie wieży otunelowane turbiny wiatrowe
pracowały z wysoką sprawnością.
BMi
L
w
1951
Elementy akumulacyjne
Powierzchnia gruntu, lub to co jest na nim umieszczone, jest absorberem
promieniowania słonecznego i jednocześnie akumulatorem ciepła. Stąd
zastosowanie zabiegów zwiększających absorpcję promieniowania - pokrycie gruntu
czarnymi elementami oraz zapewniające wydłużenie czasu instalacji po zachodzie
Słońca elementy akumulacyjne – pojemność cieplna wody jest ponad czterokrotnie
większa niż przeciętnego gruntu. Powierzchnia gruntu zajęta przez kolektor
promieniowania słonecznego nie zostaje całkowicie wyłączona z użytku rolniczego.
Szczególnie jego zewnętrzne obszary gdzie prędkość powietrza jest niewielka
stwarzają bardzo dobre warunki do produkcji rolniczej nawet w warunkach
pustynnych.
BMi
L
w
Komin słoneczny Manzanares
Prototyp takiej instalacji wybudowany (z aluminium – komin i folii tedlarowej lub
szkła – przykrycie szklarni) w okolicy Manzanares w Hiszpanii przez niemiecką firmę
inżynieryjną w 1982 r. i wykorzystywany przede wszystkim do testowania rozwiązań
konstrukcyjnych i materiałowych i sposobów użytkowania (testowano np.
efektywność produkcji ogrodniczej), dysponował następującymi parametrami:
• wysokość komina: 194 m,
• ilość generatorów: 1,
• średnica komina: 10 m,
• moc generatora: 0,05 MW,
• średnica kolektora: 244 m,
• średnia sprawność: 5,3 %,
• powierzania kolektora: 4,6 ha,
• wykorzystanie mocy: 13 %,
• prędkość powietrza: 12 - 15 m/s,
• czas pracy: 7 lat (planowany: 3 lata, w
trybie w pełni automatycznym 32 miesiące) .
1951
Klip prezentujący
wieżę słoneczna w
Manzanares.
BMi
L
w
Efektywność instalacji
Koszt produkcji 1 kWh energii elektrycznej oszacowany na podstawie doświadczeń
i modeli wynosi w zależności od przyjętych parametrów technicznych i finansowych
od 5 do 27 eurocentów.
1951
Kominy słoneczne pozwalają na uzyskanie około 0,05 MW/ha i około 0,2 GWh/ha/a
podczas gdy elektrownie fotowoltaiczne uzyskują odpowiednio prawie 0,2 MW/ha i
około 0,35 GWh/ha/a.
W porównaniu z instalacjami fotowoltaicznymi w kominach słonecznych, przy
dwukrotnie niższym koszcie inwestycyjnym jednostki mocy (2,5  3 $/W vs 4  7
$/W), uzyskuje się około dwukrotnie wyższą dyspozycyjności (0,4 vs 0,2) oraz co
najmniej dwukrotnie większą żywotności (90 lat vs 35 lat).
Z powodu zapotrzebowania na teren oraz, znacznie niższą od sprawności innych
sposobów przetwarzania EPS (najmniej sprawna z nich fotosynteza posiada
sprawność powyżej 3 % - 1,2 % w odniesieniu do całkowitej powierzchni gruntu),
sprawność energetyczną wynoszącą około 0,5  3 % (w planowanych bardzo dużych
instalacjach), technologia ta nie jest konkurencyjna na terenach rolniczych.
Możliwość prowadzenia na około 2/3 powierzchni szklarni produkcji rolniczej czyni
tą technologię szczególnie wskazaną na pustyniach, półpustyniach i innych
nieużytkach przekształcając je w tereny użyteczne rolniczo.
BMi
L
w
1951
Instalacje aktualnie pracujące
Obecnie eksploatowany jest na świecie tylko jeden taki układ usytuowany w
Botswanie i uruchomiony w 2002 r.
Jest to bardzo mała instalacja badawcza:
• wysokość wykonanego z poliestru komina: 22 m,
• średnica komina: 2 m,
• powierzania kolektora wykonanego z 5 mm grubości szkła: 160 m2.
BMi
L
w
1951
Kominy słoneczne – projekty
Obecnie najbardziej zawansowane są trzy projekty:
- Solar Tower Buronga niedaleko miejscowości Mildura w Nowej Południowej Wali
w Australii o mocy 200 MW,
- Ciudad Real Torre Solar w Ciudad Real w Hiszpanii o mocy 40 MW,
- projekt rządowy Namibii o mocy 400 MW.
BMi
L
w
1951
Komin słoneczny Solar Tower Buronga
Komin słoneczny Solar Tower Buronga posiadać ma następujące parametry:
• wysokość komina: 1000 m,
• prędkość powietrza: 15 m/s,
• średnica komina: 130 m,
• ilość generatorów: 32,
• średnica kolektora: 7000 m,
• sumaryczna moc generatorów 200 MW,
• powierzania kolektora: 38 km2,
• produkcja energii: 1400 GWh/a,
• planowany czas pracy: 80 lat.
Wizualizacje i animacja prezentujące projekt Solar Tower Buronga .
BMi
L
w
Komin słoneczny Ciudad Real Torre Solar
Komin słoneczny Ciudad Real Torre Solar posiadać ma następujące parametry:
• wysokość komina: 750 m,
• powierzania kolektora: 350 ha,
• termin ukończenia: 2010 r.,
• moc generatorów: 40 MW,
• średnica komina: 70 m,
• planowany koszt: 240 mln. €.
• średnica kolektora: 2,9 km,
1951
Wizualizacja projektu Ciudad Real Torre Solar.
BMi
L
w
1951
Komin słoneczny „Greentower” w Namibi
Namibijski komin słoneczny „Greentower”
• wysokość komina: 1500 m,
• średnica komina: 180  280 m,
• średnica kolektora: 6,9,
• wysokość kolektora: 10  30 m,
• powierzania kolektora: 37,5 km2
(zewnętrzne 2/3 wykorzystywane będzie
do produkcji żywności),
• akumulacja ciepła: 6 dni,
posiadać ma następujące parametry:
• moc: 400 MW,
• 32 turbiny o średnicy 30 m,
• przewidywana sprawność: 3  4%,
• żywotność: 120 lat,
• koszt: instalacji - 475 mln. €,
wyposażenia szklarni - 90 mln. €, fabryka
szkła - 35 mln. €,
• koszt energii: 1,5  2 €c/kWh.
Wizualizacja projektu „Greentower”.