• Share
  • Email
  • Embed
  • Like
  • Save
  • Private Content
Diplomski rad
 

Diplomski rad

on

  • 2,467 views

 

Statistics

Views

Total Views
2,467
Views on SlideShare
2,467
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
52
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    Diplomski rad Diplomski rad Document Transcript

    • SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET Sveučilišni studij SOLARNE TERMOELEKTRANE Diplomski rad Hrvoje Čajkovac Osijek, 2013.
    • Obrazac D1: Obrazac za imenovanje Povjerenstva za obranu diplomskog rada Osijek, 25.03.2013. Odboru za završne i diplomske ispite Imenovanje Povjerenstva za obranu diplomskog rada Ime i prezime studenta: Hrvoje Čajkovac Studij (smjer): Diplomski studij elektrotehnike, smjer elektroenergetika Mat. br. studenta, godina upisa: D-415, 2010./2011. Mentor: Prof.dr.sc. Damir Šljivac Sumentor: Predsjednik Povjerenstva: Prof.dr.sc. Marinko Stojkov Član Povjerenstva: Danijel Topić, dipl.ing. Naslov diplomskog rada: SOLARNE TERMOELEKTRANE Primarna znanstvena grana rada: Elektroenergetika Sekundarna znanstvena grana (ili polje) rada: Elektrostrojarstvo Zadatak diplomskog rada Potpis sumentora: Opisati vrste, principe rada i razvoj različitih tehnologija solarnih termoelektrana, osobito velikih STE u izvedbi s paraboličnim protočnim kolektorima i sa središnjim prijemnikom, ali i drugih. Dati tehničke i ekonomske parametre, parametre energetske učinkovitosti i očekivanog troška proizvodnje električne energije. Potpis mentora: Dostaviti: 1. Studentska služba U Osijeku, godine Potpis predsjednika Odbora:
    • IZJAVA O ORIGINALNOSTI RADA Osijek, 25.03.2013. Ime i prezime studenta: Hrvoje Čajkovac Studij : Diplomski studij elektrotehnike Mat. br. studenta, godina upisa: D-415, 2010./2011. Ovom izjavom izjavljujem da je rad pod nazivom: SOLARNE TERMOELEKTRANE izrađen pod vodstvom mentora Prof.dr.sc. Damir Šljivac i sumentora moj vlastiti rad i prema mom najboljem znanju ne sadrži prethodno objavljene ili neobjavljene pisane materijale drugih osoba, osim onih koji su izričito priznati navođenjem literature i drugih izvora informacija. Izjavljujem da je intelektualni sadržaj navedenog rada proizvod mog vlastitog rada, osim u onom dijelu za koji mi je bila potrebna pomoć mentora, sumentora i drugih osoba, a što je izričito navedeno u radu. Potpis studenta:
    • SADRŽAJ 1. UVOD ......................................................................................................................................... 1 2. SUNČEVO ZRAČENJE ............................................................................................................. 3 2.1. Solarna energija i gibanje Zemlje oko Sunca ....................................................................... 3 2.2. Atmosferski utjecaji .............................................................................................................. 5 2.3. Globalno zračenje ................................................................................................................. 7 2.4. Izračun solarnog zračenja ..................................................................................................... 8 2.5. Mjerenje zračenja i karte zračenja ........................................................................................ 9 2.6. Izravno sunčevo zračenje.................................................................................................... 12 2.7. Osunčavanje........................................................................................................................ 13 3. OPĆENITO O SOLARNIM TERMOELEKTRANAMA ........................................................ 16 3.1. Koncentracija solarnog zračenja ......................................................................................... 17 3.2. Apsorpcija zračenja ............................................................................................................ 21 3.3. Spremnik topline................................................................................................................. 22 3.4. Pomoćni i hibridni sustavi .................................................................................................. 28 3.5. Spajanje solarnih termoelektrana na mrežu ........................................................................ 30 3.6. Hlađenje solarnih termoelektrana i zahtijevi za vodom ..................................................... 30 3.7. Sustav praćenja prividnog kretanja Sunca .......................................................................... 31 3.7.1. Jednoosni sustav praćenja Sunca ................................................................................. 32 3.7.2. Dvoosni sustav praćenja Sunca .................................................................................... 32 3.7.3. Aktivni pogon sustava za praćenje Sunca .................................................................... 33 3.7.4. Kronološki sustav za praćenje Sunca ........................................................................... 34 4. PARABOLIČNE PROTOČNE TERMOELEKTRANE .......................................................... 35 4.1. Kolektori ............................................................................................................................. 36 4.1.1. Parabolični protočni kolektor ....................................................................................... 36 4.1.2. Fresnel kolektor (LFR - Linear Fresnel Reflectors) .................................................... 37 4.1.3. Kompaktni Fresnel kolektor (CLFR – Compact Linear Fresnel Reflectors) ............... 38 4.2. Apsorber ............................................................................................................................. 39 4.3. Medij za prijenos topline .................................................................................................... 41 4.4. Kolektorska polja ................................................................................................................ 41 4.5. Izgrađene parabolične protočne termoelektrane ................................................................. 42 4.5.1. SEGS (Solar Electricity Generation Systems) ............................................................. 42 4.5.2. Andasol ........................................................................................................................ 45 4.5.3. Puerto Errado 2 (PE2) .................................................................................................. 46 4.6. Solarna integrirana u kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated Solar Combined Cycle System) ............................................................................................................................. 47 4.7. Integracija u konvencionalnu elektranu .............................................................................. 48 5. SOLARNI TORANJ (CRS – Central Receiver System) ........................................................... 49 5.1. Heliostati ............................................................................................................................. 50 5.1.1. Ravni heliostat ............................................................................................................. 51 5.1.2. Membranski heliostati .................................................................................................. 52 5.2. Polje heliostata i toranj ....................................................................................................... 53 5.3. Prijemnik (receiver) ............................................................................................................ 54 5.3.1. Prijemnik na vodu/paru ................................................................................................ 54 5.3.2. Prijemnik na rastopljenu sol......................................................................................... 54
    • 5.3.3. Otvoreni zračni prijemnik ............................................................................................ 56 5.3.4. Zatvoreni (stlačeni) zračni prijemnik ........................................................................... 57 5.4. Izgrađeni solarni tornjevi .................................................................................................... 57 6. PARABOLIČNI TANJUR ........................................................................................................ 63 6.1. Parabolični koncentrator (tanjur) ........................................................................................ 64 6.2. Prijemnik ............................................................................................................................ 65 6.2.1. Cjevasti prijemnik ........................................................................................................ 65 6.2.2. Cjevni prijemnik .......................................................................................................... 66 6.3. Stirlingov motor .................................................................................................................. 67 6.4. Izgrađeni parabolični tanjuri ............................................................................................... 69 7. SOLARNI DIMNJAK I SOLARNI BAZEN ............................................................................ 70 7.1. Solarni dimnjak................................................................................................................... 70 7.1.1. Kolektor ....................................................................................................................... 71 7.1.2. Spremnik topline .......................................................................................................... 72 7.1.3. Dimnjak........................................................................................................................ 73 7.1.4. Turbine ......................................................................................................................... 74 7.1.5. Prednosti i nedostaci .................................................................................................... 75 7.1.6. Prošli i budući projekti ................................................................................................. 76 7.2. Solarni bazen ...................................................................................................................... 79 7.2.1. Kolektor (bazen) .......................................................................................................... 80 7.2.2. Izmjenjivač topline....................................................................................................... 81 7.2.3. Termički motor ............................................................................................................ 82 7.2.4. Izgrađeni solarni bazeni ............................................................................................... 82 8. EKONOMSKA PERSPEKTIVA I BUDUĆI RAZVOJ ........................................................... 84 8.1. Budući razvoj [7] ................................................................................................................ 84 8.1.1. Postojeći scenariji ........................................................................................................ 84 8.1.2. Prijenos električne energije .......................................................................................... 85 8.1.3. Tehnološki putokaz koncentrirajućih solarnih termoelektrana .................................... 88 8.1.3.1. Implementacija do 2020. ........................................................................................... 88 8.1.3.2. Implementacija do 2030. ........................................................................................... 89 8.1.3.3. Implementacija nakon 2030. ..................................................................................... 90 8.2. Ekonomska perspektiva ...................................................................................................... 91 8.2.1. Investicijski troškovi .................................................................................................... 91 8.2.2. Troškovi pogona i održavanja ...................................................................................... 92 8.2.3. Proizvodni troškovi ...................................................................................................... 93 9. ZAKLJUČAK ........................................................................................................................... 94 LITERATURA .............................................................................................................................. 95 SAŽETAK ..................................................................................................................................... 96 ABSTRACT .................................................................................................................................. 97 ŽIVOTOPIS .................................................................................................................................. 98
    • 1. UVOD Energetski potencijal pustinje je golem. Institut za energiju europske komisije izračunao je da bi sve europske potrebe za energijom bile zadovoljene kad bi se iskoristilo samo 0,3 posto solarne energije iz Sahare i pustinja Bliskog istoka. Ključni izazov je da se potrošnja električne energije ne nalazi uvijek u blizini najboljih mjesta za iskorištavanje solarne energije. Dvadeset poznatih njemačkih kompanija i banaka, među kojima Deutsche Bank, Siemens i energetski div RWE, udružili su se u jedinstvenom projektu ikad zabilježenom u povijesti, pod nazivom DESERTEC i vrijednom više od 400 milijardi eura, kako bi u Sahari ukrotili Sunčevu energiju i pretvorile je u čistu električnu energiju za europske potrošače. DESERTEC predviđa izgradnju solarnih elektrana ukupne snage više od 100 gigavata u Sjevernoj Africi, bio bi ostvaren na više lokacija u politički stabilnim zemljama, no za gradnju infrastrukture i stavljanje elektrana u pogon trebat će još mnogo godina. Afrika bi tim projektom zauzvrat dobila tisuće novih radnih mjesta, vlastitu energiju i desaliniziranu vodu iz mora. Stručnjaci smatraju da najviše tehnički dostupne energije imaju pustinje u ekvatorskom pojasu u kojem se nalazi i sjeverni dio Afrike. Projekt DESERTEC zamišljen i kao svojevrsni model po kojem bi njegova primjena, primjerice u Australiji, Kini, Indiji i Americi bila još učinkovitija. [10] Osnovni koncept koncentrirajuće solarne energije je koncentrirati energiju sunčevih zraka za zagrijavanje medija u prijemniku na visoku temperaturu kako bi se dobila para. Toplina se pretvara najprije u mehaničku energiju pomoću parnih turbina ili termo motora, a potom u električnu energiju. Velike solarne termoelektrane često se nalaze u sušnim područjima gdje je voda vrijedan resurs, dok potražnja za vodom brzo raste kao i populacija stanovništva. Solarne elektrane mogu biti dizajnirane tako da se dio topline koristi za desalinizaciju morske vode. Takve elektrane će proizvoditi električnu energiju i svježu vodu, ali s gubitkom učinkovitosti u proizvodnji električne energije. Tu tehnologiju proizvode i europske tvrtke, a već je primijenjena u Španjolskoj i SAD-u. Koncentrirajuća solarna postrojenja posjeduju i potencijal za proizvodnju ostalih energetskih prijenosnika poput solarnih goriva. Unatoč snažnom razvoju tehnologije u proteklih dvadesetak godina, solarne elektrane nekako su ostale po strani i znatno manjih kapaciteta nego hidroelektrane ili nuklearne elektrane, no i to se mijenja. Parabolične protočne elektrane čine najveći udio tekuće koncentrirajuće solarne energije na tržištu, ali natječu se i ostale tehnologije od kojih neke elektrane ugrađuju spremnike topline. Solarne termoelektrane trenutno zahtijevaju veće kapitalne investicije nego drugi izvori energije, ali nudi znatne 1
    • dugoročne koristi zbog minimalnih troškova za gorivo pomoćnih ili hibridnih sustava. Inicijalni investicijski troškovi stalno padaju kako solarne termoelektrane bivaju sve veće, raste konkurencija, masovnom proizvodnjom opreme i tehnološkim napretkom. Stručnjaci smatraju da će u realizaciji DESERTEC-a na početku biti potrebna potpora Europske unije, dok će u kasnijem financiranju najveću ulogu imati banke i privatni sektor. Isplativost projekta ne bi trebala doći u pitanje jer bi se, uz Europu, enetgijom mogao opskrbljivati i sjeverni dio Afrike, te Bliski istok. U tom slučaju trebalo bi osigurati manje od 10 milijardi eura iz europskih izvora. Paralelno s tako velikim ulaganjima, cijena solarne energije bila bi povoljnija. Naime, danas je ta cijena visoka zbog relativno male proizvodnje te visokih troškova pogona i održavanja. [10] Tako se iskorištavanje Sunca kao alternativnog izvora pokazuje sve više kao jedno od najefikasnijih rješenja za opskrbu električnom energijom u svijetu. Time se mogu zadovoljiti ne samo sve veće potrebe za energijom, nego i vrlo brzo istisnuti fosilna goriva koja su se pokazala velikim zagađivačem atmosfere, a to znači smanjiti globalno zagađenje, spriječiti klimatske promjene, krčenje šuma, degradaciju zemljišta i zdravstvene posljedice. Time bi se smanjila energetska nesigurnost i spriječile opasnosti korištenja nuklearne energije. Diplomski rad je osim uvodnog podijeljen u još sedam poglavlja. U drugom poglavlju govori se o utjecaju atmosfere na solarno zračenje, podjeli zračenja i količini zračenja koje dospijeva na zemljinu površinu. Za solarne termoelektrane vrlo su značajni načini praćenja prividnog kretanja Sunca, kao i koncentracija solarnog zračenja i njegove apsorpcije u prijemniku, što je opisano u trećem poglavlju, zajedno s parametrima solarnih elektrana i utjecajem toplinskog spremnika na rad istih u elektroenergetskom sustavu. U četvrtom poglavlju naznačene su prednosti i nedostaci različitih pristupa koncentriranja začenja paraboličnih protočnih i fresnelovih kolektora, te su navedene neke izgrađene elektrane. Peto poglavlje opisuje princip rada solarnog tornja, različitosti između ravnih i membranskih heliostata, te vrstama prijemnika. Princip rada stirlingovog motora upotrijebljenog za pretvorbu toplinske u električnu energiju paraboličnog tanjura opisan je u šestom poglavlju. Sedmo poglavlje govori o nekoncentrirajućoj tehnologiji solarnih dimnjaka i bazena koji su manje zastupljeni u proizvodnji električne energije. Osmo poglavlje govori o budućem razvoju i implementaciji solarnih termoelektrana, te ekonomskoj perspektivi i cijeni električne energije. U zaključku je dan osvrt na sve opisane vrste solarnih termoelektrana, njihova međusobna usporedba, njihove prednosti i nedostaci, te načini smanjivanja investicija. 2
    • 2. SUNČEVO ZRAČENJE 2.1. Solarna energija i gibanje Zemlje oko Sunca Sunce je središnje tijelo našeg Solarnog sustava, to je zvijezda najbliža Zemlji. Jezgra ima temperaturu od oko 15 milijuna °C. Energija je oslobođena nuklearnom fuzijom gdje se vodik pretvara u helij. Ta pretvorba rezultira gubitkom mase koja je pretvorena u energiju E. Prema Einsteinu, to se može izračunati množenjem mase m s kvadratom brzine svjetlosti vc2 (jednadžba 2-1). Oko 650 milijuna t/s vodika pretvara se u približno 646 milijuna t/s helija. Razlika od oko 4 milijuna t/s se pretvari u energiju. [1] E = m vc2 (2-1) Energija oslobođena sa Sunca u prostor prenosi se izbojem materije, a dijelom kao elektromagnetsko zračenje. Izboj materije sastoji se od protona i elektrona koji su oslobođeni na Suncu pri brzini od oko 500 km/s. Samo nekolicina električno nabijenih čestica dospije do površine Zemlje, a većina je odbijena Zemljinim magnetskim poljem što je od posebne važnosti za život na Zemlji. Oslobođeno elektromagnetsko zračenje obuhvaća cijeli spektar frekvencija od kratkovalanog do dugovalnog. Spektar Sunčevog zračenja približno odgovara spektru crnog tijela temperature 5778 K. Stoga se temperatura od 5778 K može uzeti kao efektivna temperatura Sunčeve površine, a iz nje je primjenom Planckova zakona moguće proračunati energetski spektar Sunčevog zračenja. Snaga zračenja koje Sunce zrači sa svoje površine iznosi oko 9,5 · 1025 W. [2] Gustoća toka zračenja na površini Sunca je oko 63,5 MW/m2 (Ms) i smanjuje se s kvadratom udaljenosti te se može izračunati prema formuli (2-2). E SC  2 M S   dS   2  l SZ  2 (2-2) gdje je: dS – promjer Sunca ( oko 1,391 · 109 m) lSZ – srednja udaljenost između Zemlje i Sunca (149,68 · 109 m) ESC – gustoća toka zračenja na vanjskom rubu Zemljine atmosfere. [1] Izračunom se dobije da na vanjskom rubu Zemljine atmosfere gustoća toka zračenja varira od 1330 do 1420 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja (Slika 2.1.). Srednja 3
    • vrijednost gustoće toka zračenja (1367 W/m2) zove se solarna konstanta koja i nije konstanta. Tijekom godina varira za manje od 0,1% zbog 11-godišnjeg ciklusa (tzv. Schwabe-ov ciklus), a na zračenje utječu i drugi fenomeni, kao što je 27-dnevna diferencijalna rotacija Sunca oko svoje osi, Sunčeve pjege, prominencije i baklje. Sunčevo zračenje na rubu atmosfere tijekom cijele godine je obilježeno sezonskim varijacijama koja su uzrokovana eliptičnom orbitom. Srednja udaljenost Zemlje i Sunca je 149,68 ·106 km. U perihelu, početkom siječnja, Zemlja je 1,67 % bliža, a u afelu, početkom srpnja, Zemlja je 1,67 % udaljenija od Sunca. Kako se Sunčevo zračenje mijenja s kvadratom udaljenosti, Zemlja u siječnju prima 6,9 posto više Sunčeve energije nego u srpnju. Unatoč jačem intenzitetu zračenja na vanjskom rubu atmosfere, u prosjeku su znatno niže temperature na sjevernoj hemisferi tijekom zime nego tijekom ljeta. Prema tome siječanjske temperature bi trebale biti više od srpanjskih, zima na sjevernoj polutki bi trebala biti toplija nago na južnoj, a ljeto na južnoj polutki toplije od ljeta na sjevernoj. U stvarnosti je sve upravo obratno jer odnosi u atmosferi značajno ovise i o drugim faktorima.[2] Razlog tomu je kut od 66,5° između rotacijske osi Zemlje i orbitalne ravnine (Slika 2.2.). [1] Slika 2.1. Godišnja promjena solarne konstante. 4
    • Slika 2.2. Odnos između Sunca i Zemlje. 2.2. Atmosferski utjecaji Atmosfera je u značajnoj mjeri nepropusna za sunčevo zračenje što dovodi do smanjenja intenziteta zračenja. Mehanizmi koji dovode do smanjenja zračenja su difuzija, apsorpcija i refleksija (Slika 2.3.). Difuzija je skretanje zračenja sa svog prvobitnog kuta bez prijenosa energije a time i bez gubitka energije. Problem nastaje kada takvo raspršeno svjetlo ne pada na plohu pod pravim kutem što dovodi do gubitka energije. Difuzija se odvija u molekulama zraka, kapljicama vode, kristalima leda i česticama aerosola. Apsorpcija je pretvorba sunčevog zračenja u druge oblike energije, odnosno sunčevo zračenje se pretvara u toplinu tijekom ovog procesa. Takva apsorpcija odvija se u oblacima i oborinskim česticama. Moguća je i selektivna apsorpcija kod nekih plinova unutar atmosfere. To je osobito slučaj kod ozona (O3) i vodene pare (H2O). Ozon gotovo u potpunosti apsorbira 5
    • spektar između 0,20 i 0,36 µm. Za usporedbu, ugljični dioksid (CO2) samo minimalno apsorbira sunčevo zračenje. Slika 2.3. Utjecaj atmosfere na upadno Sunčevo zračenje. [3] Slabljenje je opisano prijenosnim faktorom τG (formula 2-3) koji utječe na globalno solarno zračenje na vanjskom atmosferskom rubu koje prolazi kroz atmosferu. [1] Gg  E SC   G (2-3) gdje je: Gg – globalno solarno zračenje τG – faktor transmisije. Faktor transmisije (τG) se sastoji od difuzije svjetlosti te apsorpcije u plinovima i česticama. Tijekom prolaska solarnog zračenja kroz Zemljinu atmosferu dolazi do promjene spektra zračenja. 6
    • Slika 2.4. prikazuje spektar solarnog zračenja prije i nakon prolaska kroz atmosferu. Sa slike je vidljivo da se maksimalna energija nalazi u vidljivom spektru valne duljine odnosno između 0,5 i 0,6 µm. Sa smanjenjem valne duljine snaga zračenja naglo opada, a s povećanjem valne duljine snaga zračenja polagano opada. Na krivulji spektra zračenja se vidi da na specifičnim valnim duljinama dolazi do dubokih propada snage zračenja koji su uzrokovani selektivnom apsorpcijom određenih elemenata. Slika 2.4. Energetska distribucija spektra solarnog zračenja prije i poslije prolaska kroz atmosferu. [4] 2.3. Globalno zračenje Globalno zračenje možemo podijeliti na izravno (direktno), difuzno (indirektno) i reflektirano (odbijeno) zračenje na površini Zemlje. Izravno zračenje je zračenje na određenom mjestu, nakon što je pravocrtno proputovalo sa Sunca. Difuzno zračenje je nastalo raspršivanjem zračenja u atmosferi i time posredno doseglo do određene točke na Zemljinoj površini. 7
    • Za izračun ukupnog sunčevog zračenja na određenoj površini, izravno i difuzno zračenje moraju se razlikovati zbog različitih upadnih kutova. Zimi ili u planinskim područjima, reflektirano zračenje u većoj mjeri pridonosi globalnom zračenju, primjerice zbog snježnog pokrivača. Udio difuznog i izravnog zračenja u ukupnom godišnjem globalnom zračenju na nekom mjestu je podložan dnevnim i sezonskim oscilacijama. Srednji godišnji udio difuznog zračenja u srednjoeuropskim regijama znatno je veći od izravnog zračenja. Tijekom zimskih mjeseci, globalno zračenje gotovo se sastoji od difuznog zračenja. U ljeto, udio izravnog zračenja značajno se povećava, ali je u prosjeku uvijek manji od udjela difuznog zračenja. To može biti potpuno drugačije na mjestima diljem svijeta. U pustinji je udio izravnog zračenja u većini slučajeva vrlo visok. S druge strane u regijama s vrlo visokim oborinama ili puno magle doprinos difuznog zračenja na ukupno godišnje globalno zračenje može biti više od 80 %. Također, to može varirati tijekom dana ili godišnja doba. Intenzitet zračenja ovisi o nadmorskoj visini i geografskoj širini. Tako se smanjenjem nadmorske produljuje put koji zračenje prolazi te se smanjuje debljina atmosfere. Približavanjem ekvatoru povećava se količina energije. 2.4. Izračun solarnog zračenja Jakost solarnog zračenja može se kvantitativno izračunati prema formuli (2-4). E0 (n)   0 (n)  E0 sr  360  n  1  0,034 cos  E0 sr  365    W m2  (2-4) gdje je: ε – ekscentricitet elipse (ε =0,017) n – broj dana u godini. Ukupna dnevna količina energije u [J/m2] koja se dobije ozračenjem vodoravne plohe: W0 (n,  ,  ,  S )   86400 360  n  2   E0 sr 1  0,034 cos   360  S sin  sin   sin  S cos  cos    365    (2-5) gdje je: ωS – satni kut Sunca (12 h = 0°, 13 h = 15°, 15 h = 45°) odnosno kut projekcije na ekvatorijalnu ravninu linije koja spaja centar Zemlje i centar Sunca i linije koja spaja centar Zemlje i promatranu točku. [1] 8
    • Φ – zemljopisna širina promatranog mjesta δ – deklinacija Sunca (kut između spojnice središta Zemlje sa središtem Sunca i ekvitorijalne ravnine). 248  n     23,45 sin 360   365   2  (2-6) Maksimalni dotok energije do Zemljine površine u prosjeku iznosi dnevno 920 W/m 2 na plohu okomitu na smjer zračenja. Zbog rotacije energija se raspoređuje površinom Zemlje, pa na površinu dolazi prosječno dnevno 230 W/m2. 2.5. Mjerenje zračenja i karte zračenja Mjerenje solarnog zračenja za neku određenu lokaciju određuje se mjerenjem i analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Za loklno mjerenje koristi se piranometar koji mjeri globalnu, izravnu i difuznu ozračenost na horizontalnu površinu (gustoća energije H u [Wh/m2]). Često se mjeri trajanje sijanja Sunca zbog nedostatnog mjerenja Sunčevog zračenja. Piranometri mogu imati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne elemente kao senzore. Na odabranoj lokaciji instrument ne bi trebao registrirati zračenje odbijeno od tla i okolnih predmeta, niti imati prepreke više od 5° u području gdje Sunce izlazi i zalazi. Obrađeni podaci su dostupni od različitih institucija koje integriraju mjerenja meteoroloških postaja i satelita s analitičkom obradom za višegodišnja razdoblja i različite rezolucije. Svi izvori koji nisu rezultat posebnih mjerenja za konkretnu lokaciju imaju neodređenost koja može biti i do 30%. Neodređenost je manja na nivou procjene za ukupnu godišnju ozračenost. Godišnje globalno zračenje doseže svoj maksimum u pojasu sjeverno i južno od ekvatora, to je naročito izraženo u pustinjama i planinskim predjelima. Nakon tog pojasa godišnje globalno zračenje počinje opadati. 9
    • Stanje u Hrvatskoj je takvo da se Sunčevo zračenje ne mjeri ni na jednoj postaji iz mreže meteoroloških postaja Državnog hidrometeorološkog zavoda (DHMZ). Takva situacija značajno ograničava točno određivanje energetskog potencijala Sunčevog zračenja u Republici Hrvatskoj, ali postoje izvori podataka koje je moguće kupiti (European Centre for Medium Range Weather Forecast) ili koji su besplatni (NASA Surface Meteorology and Solar Energy i Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS ). Karte mogu dati samo grubu procjenu globalnog zračenja. Lokalno sunčevo zračenje stoga može varirati unutar određenih granica. Slika 2.5. prikazuje ukupno solarno zračenje pod optimalnim kutom inklinacije za područje RH. Prema PVGIS podacima optimalni kut za područje RH kreće se od 33° na sjeveru do 37° na jugu. Valja imati na umu da se optimalni kut mijenja tijekom godine zbog prividnog kretanja Sunca. Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sunčanih dana. Najbolje je rješenje koje prati kretanje sunca. Time se može povećati dobivena energija za 25 do 40 %, a za sunčanije lokacije više se postiže praćenjem Sunca u jednoj ili dvije osi. Za procjenu potencijala korištenja sunčevog zračenja i preliminarne analize dovoljni su i ovako grubi podatci. 10
    • Slika 2.5. Ukupno solarno zračenje pod optimalnim kutom za područje RH. [5] Najpovoljnija područja za iskorištavanje koncentrirane solarne energije su u Sjevernoj Africi, južnoj Africi, Bliskom Istoku, sjeverozapadnoj Indiji, jugozapadni SAD, Meksiko, Peru, Čile, zapadni dio Kine i Australija. Ostala područja koja mogu biti pogodna su na krajnjem jugu 11
    • Europe i Turska, druge južne američke lokacije, centralno azijske zemlje, mjesta u Brazilu i Argentini. Nedavni pokušaji da se kartografira izravno sunčevo zračenje u svijetu temelji se na satelitskim podacima (Slika 2.6.). Međutim, precizna mjerenja se mogu postići samo mjerenjem na tlu, a time satelitski rezultati moraju biti umanjeni za zadovoljavanje točnost. Nekoliko studija detaljno razmatra potencijal u ključnim regijama (SAD i Sjeverna Afrika), dajući posebnu pozornost na dostupnost zemljišta, bez skladištenja, koncentrirajuća solarna postrojenja zahtijevaju oko dva hektara po MWe, ovisno o izravnom solarnom zračenju i korištenoj tehnologiji. [7] Slika 2.6. Karta izravnog solarnog zračenja. 2.6. Izravno sunčevo zračenje Izravna komponenta sunčevog zračenja je od najvećeg interesa za dobivanje visoke temperature potrebne za solarne elektrane, jer može biti usmjerena na malim površinama pomoću ogledala ili leće, dok difuzna komponenta ne može. Fokusiranje sunčevog zračenja zahtijeva vedro nebo koje se obično nalaze u polusušnim i sušnim regijama. Koncentrirajuća solarna postrojenja koriste izravno sunčevo zračenje (DNI - direct normal irradiance) koje se mjeri kao energija dobivena na površini koja okomito prati sunčeve 12
    • zrake. Mjerenje izravnog sunčevog zračenja je svakako jedno od najsloženijih mjerenja u određivanju potencijala energije Sunca. Izravno sunčevo zračenje mjeri se pirheliometrom, instrumentom koji se sastoji od termočlanaka na dnu uskog cilindra tako je vidni kut instrumenta samo oko 5°. Takvom geometrijom se omogućava registracija samo zračenja koje dolazi iz uskog pojasa oko Sunčevog diska. Prijemna površina instrumenta u svakom trenutku mora biti okomita na Sunčeve zrake tako da pirheliometri moraju pratiti Sunce po nebu uz kutnu grešku manju od 0,75° (Kipp & Zonnen) ili 1,5° (Epply), što zahtijeva složen i precizan mehanički sustav za praćenje kretanja Sunca. Takvi sustavi za dvoosno praćenje Sunca su za red veličine skuplji od samog mjernog instrumenta. Izmjerene podatke je potrebno normalizirati na srednju udaljenost Zemlje od Sunca, a instrument kalibrirati prema instrumentu više klase. [3] Mjerenje izravnog sunčevog zračenja daje prvu aproksimaciju potencijala izlazne električne energije. U praksi, ono što je najvažnije je varijacija zračenja tijekom dana, jer ispod određenog praga dnevnog izravnog zračenja, koncentrirajuće solarne elektrane ne proizvode energiju zbog stalnih toplinskih gubitaka u kolektorskom polju. Proizvođači koncentrirajućih solarnih elektrana obično postavljaju donju granicu izravnog sunčevog zračenja od 1900 do 2100 kWh/m2/god. 2.7. Osunčavanje Pojam "sijanje Sunca" definira situaciju kada sunčev disk rasvjetljuje predmete snažnije od raspršenog zračenja neba, odnosno pojavu sjene iza rasvijetljenih objekata. Pojam je više vezan uz vidljivo svjetlo nego uz ostale frekvencije Sunčevog zračenja. WMO (World Meteorological Organization) definira sijanje Sunca kao razdoblje u kojem je intenzitet Sunčevog zračenja veći od 120 W/m2. Trajanje sijanja Sunca ili osunčavanje se mjeri u satima. U praksi je pojam prvotno definiran uz registraciju na Campbell-Stokesovom heliografu, instrumentu koji sijanje Sunca registrira izgaranjem posebne trake smještene iza posebne staklene leće koja zrake koncentrira na traku koja se mora mijenjati svaki dan. CampbellStokesov heliograf je možda najstariji instrument koji se još uvijek zadržao u redovnim meteorološkim mjerenjima. Instrument je 1853. godine razvio J. Campbell (Slika 2.7.). Njegov instrument se sastojao do staklene kugle napunjene vodom koja je postavljena u sredini 13
    • izdubljene drvene posude. Staklena kugla fokusira Sunčevo zračenje na unutrašnju površinu posude i ostavlja nagoreni trag na drvu. G. Stokes je 1879. godine unaprijedio Campbellov instrument do izvedbe koja se koristi i danas. Stokesov instrument koristi staklenu kuglu od visokokvalitetnog stakla smještenu u sredini metalnog ležišta koje se može prilagođavati prema geografskoj širini. Papirna traka se stavlja iza kugle u smjeru istok zapad tako da se Sunčevo zračenje koncentrira kroz kuglu i progorijeva traku toplinskim djelovanjem. Na traci su označeni sati pa je moguće ustanoviti kad i koliko je Sunce sijalo. Traka se treba mijenjati svaki dan i obično je različita za ljeto, zimu i proljeće (jesen). Da bi traka počela registrirati potreban je određeni intenzitet sunčevog zračenja, ovisno o instrumentu između 80 i 280 W/m2. Ako je traka vlažna (česta situacija u zimskim jutrima) mora se prije nego započne registracija osušiti za što je potrebna određena količina topline, što znači da vlažna traka počinje kasnije registrirati od suhe. Krajevi metalne školjke zaklanjaju suprotnu stranu trake određeno vrijeme kod izlaza i zalaza Sunca. Često se trake ne postave dobro pa registracija nije točna. Najvažnija prednost CampbellStokesova heliografa, mogućnost rada bez potrebe za električnom energijom, nije više presudna zbog dostupnosti električnog napajanja na sve većem broju meteoroloških postaja. Za točno očitanje mjerenja je potrebna vizualna procjena iskusnog osoblja. Sama konstrukcija instrumenta ne omogućava automatizirano prikupljane podataka pa WMO preporučuje napuštanje mjerenja trajanja sijanja Sunca Campbell-Stokesovim heliografom. [3] 2.7. Heliograf Negretti&Zambra (David Friend Productions, San Diego, California) 14
    • Heliografi se trebaju postavljati na mjesta sa slobodnim obzorom bez ikakvih prepreka u smjeru izlaska i zalaska Sunca. Za naše zemljopisne širine to znači otvorenost obzora za izlaz od NE do SE (50°-140°) i zalaz od SW do NW (220°-310°). Ukoliko prepreke ipak postoje, one će skraćivati registraciju heliografa ako su veće od visine Sunca pri kojima heliograf počinje ili prestaje registraciju. Ako su prepreke manje njihov utjecaj će biti obuhvaćen instrumentalnom greškom heliografa pa se mogu zanemariti. Svjetska meteorološka organizacija preporučuje najvišu visinu prepreka do 3° pri čemu izgubljeni dio registracije neće biti značajan. Takav horizont smatramo kvaziidealnim. Međutim, velik broj mjernih postaja nema niti kvaziidealan horizont. Čak i ako se instrument jednom pravilno postavi mogu se tijekom vremena pojaviti prepreke, novoizgrađene zgrade, stupovi ili narasla stabla. Stabla predstavljaju velik problem jer se prepreka na vjetru pomiče, postepeno se povećava, tijekom godine se mijenja jer u proljeće prolista a u jesen izgubi lišće. [3] 15
    • 3. OPĆENITO O SOLARNIM TERMOELEKTRANAMA U osnovi solarne termoelektrane se ne razlikuju od ostalih termoelektrana u dijelu koji pretvara toplinsku u električnu energiju. Uvijek se primjenjuje toplinski kružni proces koji paru preko parne turbine ili nekog drugog toplinskog stroja koji pretvara toplinsku energiju u mehaničku i električnu pomoću generatora. Iz termodinamičkih razloga je potrebna visoka temperatura kako bi se postigla veća učinkovitost. Visoke temperature se postižu povećanjem gustoće toka energije sunčevog zračenja pomoću koncentrirajućih kolektora. S obzirom na tehno-ekonomsku optimizaciju cjelokupnog sustava u nekim slučajevima poželjne su niže temperature što rezultira znatno manjim investicijskim troškovima. Prije navedeni okvirni uvjeti dovode do cijelog niza različitih solarnih termoelektrana. [1] Prema vrsti koncentracije sunčevog zračenja, solarne termoelektrane su podijeljene na koncentrirajuće i ne koncentrirajuće. Osim toga, dodatne različitosti mogu biti prema vrsti medija za prijenos topline i sustava za pohranu topline (ako je primjenjivo) ili pomoćni sustavi elektrane na fosilna goriva. Koncentrirajuće solarne termoelektrane možemo podijeliti na: - Parabolične protočne solarne termoelektrane - Solarni toranj tj. sa središnjim prijamnikom (CRS - central receiver systems) - Parabolični tanjur. Za ekonomičnu primjenu u elektroenergetskim sustavima gore navedena rješenja solarnih termoelektrana relevantna su prema iskustvu i potencijalu. Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu sunčevog zračenja i za dostatnu učinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca. Nekoncentrirajuće solarne elektrane dijelimo na: - Solarni dimnjak - Solarni bazen. 16
    • Naglasak je stavljen na tehnologije i procese koji najviše obećavaju da će značajno pridonijeti pokrivanju dijela potrošnje električne energije u svijetu. Koncentrirajući kolektori mogu doseći temperature slične postojećim termelektranama na fosilna goriva. 3.1. Koncentracija solarnog zračenja Kako bi se postigla veća efikasnost pri proizvodnji električne energije potrebno je parnoj turbini dovesti paru s dobrim parametrima. To se postiže koncentracijom solarnog zračenja odnosno dovođenjem veće koncentracije topline nego one koje stvaraju ravni kolektori. Koncentracija sunčevog zračenja je opisana koncentracijskim omjerom što se određuje na dva načina. Omjer koncentracije C može se odrediti geometrijski (Cgeom), opisujući odnos površine solarnog otvora Aap i površine apsorbera Aaps (jednadžba 3-1). Koncentracijski omjer tipičnog paraboličnog protočnog kolektora s otvorom širine 5,8 metara i promjera cijevi apsorbera od 70 mm iznosi približno 26. S obzirom na parabolični protočni kolektor, ponekad se omjer širine otvora do cijevi apsorbera naziva koncentracijskim omjerom, ova se količina razlikuje od koncentracijskog omjera definiranog jednadžbom (3-1) s faktorom π. [1] C  C geom  Aap Aaps (3-1) Na drugi način omjer koncentracije C može se definirati kao omjer gustoće toka zračenja Gap na razini otvora i odgovarajuće vrijednosti Gaps apsorbera (Cflux, jednadžba 3-2). [1] C  C flux  G ap G aps (3-2) Za izračun najvećeg mogućeg omjera koncentracije kolektora u dvije dimenzije (parabolični protočni kolektor) i tri dimenzije (kružni paraboloid odnosno parabolični tanjur) koristi se "kut prihvata zraka" 2θa. Ovaj kut pokriva cijeli kut vidnog polja solarnih zraka koje su fokusirane na kolektoru bez potrebe za pomicanjem kolektora ili nekog njegovog dijela. [1] 17
    • Za jednoosne koncentratore (parabolični protočni kolektor) maksimalni omjer koncentracije Cideal, 2D za dani polu-kut prihvata θ izračunava se prema jednadžbi (3-3). [1] C ideal, 2D  1 sin  a (3-3) Za dvoosne koncentratore (parabolični tanjur) maksimalni omjer koncentracije Cideal, 3D izračunava se prema jednadžbi (3-4). [1] C ideal, 3D  1 (sin  a ) 2 (3-4) Budući da na Zemljinoj površini kut prihvata sunčevih zraka 2θ iznosi 0,53 °, maksimalni idealni faktor koncentracije je 213 za dvje dimenzije (žarišna linija) i 45 300 za tri dimenzije (žarišna točka). U praksi kut prihvata kolektora mora biti povećan, tako da je ostvarivi omjer koncentracije nužno znatno smanjen zbog: - pogreške praćenja, geometrijske refleksije kao i nesavršene orijentacije prijemnika dovode da je kut prihvata veći od kuta otvora Sunca, - korištena zrcala su nesavršena i proširuju reflektiranu zraku, - Atmosfersko raspršenje proširuje učinkoviti kut otvora Sunca daleko od idealne geometrijske vrijednosti polu-kuta prihvata. [1] Koncentracijom zračenja želi se postići veća temperatura apsorbera odnosno radnog medija i posljedično veća koncentracija topline, a time i površina apsorbera može biti manja. Na taj način je lakše smanjiti neizbježne toplinske gubitke zbog zračenja, konvekcije i kondukcije. U slučaju apsorbera paraboličnog protočnog kolektora, to se postiže dvostrukom staklenom cijevi i vakumom između istih te premazom s niskim koeficijentom emisije unutar odgovarajuće valne duljine. Izravna koncentracija difrakcijom ili lomom svjetlosti može se izvršiti samo krutim, transparentnim materijalom (staklena leća), koje su vrlo skupe te ova opcija nije primijenjiva u velikim razmjerima iz ekonomskih razloga. Reflektirajuće površine su se dokazale cijenovno 18
    • najučinkovitije jer gotovo paralelno reflektiraju upadno zračenje na određenu točku ili liniju. Profil parabole pokazuje takva svojstva (Slika 3.1. a)). Iz ekonomskih razloga radi uštede materijala želi se postići najveći mogući omjer koncentracije, tj. omjer reflaktirajuće površine naspram površine apsorbera bi trebao biti što je moguće veći. Takva svojstva pokazuje kružni paraboloid (Slika 3.1. e)). S problemom proizvodnje takvog tijela raste i njegova cijena, a kao alternativno rješenje nameće se ekstrudirana parabola (Slika 3.1. c)), tako da fokus nije točka nego linija. [1] Slika 3.1. Profil parabole (a) s ucrtanim putom zraka, b) segmentirani profil parabole ucrtanim putem zraka, c) i d) ekstrudirani iz profila a) i b), e) i f) dobiveni rotacijom iz profila a) i b). Što je više izravnata parabola to je udaljenija žarišna linija od tjemena parabole. U odnosu na strmiji profil parabole, ravniji profil katakteriziran je nižim omjerom reflektirajuće površine i površine otvora (tj. efektivnom površinom kolektora), a time je specifična potrošnja materijala smanjena. Profil parabole podijeljen na manje segmente istog nagiba u istoj točki kao i profil parabole, ali se nalazi u jednoj ravini. Zbog spriječavanja upadnog i reflektiranog zračenja, učinkovitost reflektiranja (tj. omjer zračenja na površini otvora i koncentriranog zračenja) je općenito niži nego za profil parabole. Slika. 3.1. d) prikazuje ekstrudirani segmentirani profil 19
    • parabole, a slika. 3.1. f) prikazuje rotaciju ekstrudiranog segmentiranog profila parabole. Rotacijski profil predstavlja prednost općenito većeg faktora koncentracije, a time veću temperaturu medija. Međutim, tada je koncentratorom potrebno pratiti Sunce u dvije osi te zahtijeva veći tehnički napor, a time i veću cijenu. [1] Elektrane opremljene profilima rotirane parabole nazivaju se parabolični tanjuri, a elektrane sa segmentnim profilom rotirane parabole su solarni toranj (jer se žarišna točka nalazi na tornju). U slučaju elektrana opremljenih profilom ekstrudirane parabole s žarišnom linijom nazivaju se parabolične protočne elektrane ili elektrane s fresnelovim kolektorima. Osim optičkih svojstava materijala korištenih za reflektirajuću površinu, ostvariva učinkovitost u velikoj mjeri ovisi o geometriji kolektora i preciznosti sustava praćenja Sunca. U praksi se koriste optičke mjerne metode za procjenu kvalitete koncentratora. Faktori koncentracije i parametari različitih solarnih termoelektrana koje primjenjuju koncentrirajuće kolektore prikazane su u tablici 3.1.. Za bolju usporedbu dodani su tehnički podaci nekoncentrirajućih solarnih termoelektrana. Tablica 3.1. Parametri solarnih termoelektrana. Parabolične protočne Najavljena snaga Fresnel Solarni Parabolični Solarni Solarni toranj tanjur dimnjak bazen 1000 300 370 709 200 5 10-500a 10-31,4a 30-370a 0,01-1,5a 30-27a 0,2-5 250 31,4 110 0,025 0,05 5 50-90 25-50 600-1000 1500-4000 1 1 Efikasnost b [%] 15 9-10 20-35 25-30 0,7-1,2 1 Razvojni status c ++ ++ ++ ++ + + [MW] Tipična snaga [MW] Realna snaga [MW] Faktor koncentracije a spajanjem više manjih elektrana, b godišnja efikasnist pretvorbe zračenja u električnu energiju, c + uspješni kontinuirani pogon demonstracijske elektrane, ++ komercijalna elektrana 20
    • Solarni množitelj je omjer stvarne veličine solarnog polja koncentrirajuće solarne elektrane u odnosu na veličinu polja potrebanog za snabdijevanje turbine projektne snage kad je sunčevo zračenje na svom maksimumu (oko 1 kW/m2). Elektrane bez toplinskog spremnika imaju optimalani solarni množitelj od 1,1 do 1,5 (do 2,0 za fresnel kolektore), ovisno o količini sunčevog zračenja koju elektrana prima i njegovog variranja kroz dan. Elektrane s velikim toplinskim spremnicima mogu imati solarni množitelj od 3 do 5. [7] 3.2. Apsorpcija zračenja Svi materijali apsorbiraju dio upadnog sunčevog zračenja. Apsorpcija zračenja uzrokuje vibriranje atoma materijala pri čemu nastaje toplina. Toplina se prenosi kondukcijom topline i / ili oslobađanjem toplinskog zračenja ili konvekcijom natrag u atmosferu. Najveći dio sunčevog zračenja se sastoji od vidljivog svjetla, tj. prevladava kratkovalno zračenje. Raspodjela svjetlosti različitih valnih duljina otprilike odgovara zračenju crnog tijela pri temperaturi od oko 5700 K. S obzirom na temperature koje se odnose na solarne termoelektrane (100 do 1000 °C), tijela zrače uglavnom srednjim i kratkovalnim zračenjem (Wienov zakon). Kada se promatra samo mali dio spektra, koeficijent apsorpcije i koeficijent emisije je identičan (Kirchhoff zakon). Prikladni selektivni premaz osigurava da se kratkovalno zračenje dobro apsorbira dok je dugovalno zračenje blokirano. Takvi materijali apsorbera odlikuju se visokim koeficijentom apsorpcije αaps s obzirom na sunčevo zračenje i niskim koeficijenatom emisije εaps u smislu dugovalnog toplinskog zračenja, ponekad se takvi materijali nazivaju α/ε premazi. [1] 21
    • 3.3. Spremnik topline Sunčevo zračenje je izvor energije čiji intenzitet varira deterministički zbog rotacije Zemlje (dan/noć) i stohastički kao rezultat stvarnih meteoroloških utjecaja (oblaci, aerosola, itd.). Kako bi se kompenzirale fluktuacije potrebno je koristiti spremnik topline. U sušnim i polusušnim područjima pogodnim za koncentrirajuća solarna postrojenja, intenzitet sunčevog zračenja se dobro podudara s potrošnjom električne energije i vršnom potrošnjom, potaknuta klimatizacijskim uređajima. Međutim, raspoloživo sunčevo zračenje varira i u najsunčanijim mjestima. Nadalje, ljudska aktivnost i toplinska inercija zgrada zahtjevaju visoku potražnju za električnom energijom nekoliko sati nakon zalaska Sunca. Za osiguravanje većeg udjela čiste električne energije i smanjene emisije CO2, koncentrirajuća solarna postrojenja će morati dati energiju osnovnog (konstantnog) opterećenja, što se može riješiti upotrebom spremnika topline ili hibridizacijom. U tom pogledu razlikujemo skladištenje topline u mediju za prijenos topline, masovnu pohranu i skladištenje topline promjenom agregatnog stanja medija. Za spremanje topline u mediju za prijenos topline isti se pohranjuje u toplinski izolirane spremnike. Međutim, to podrazumijeva da medij za prijenos topline bude cjenovno dostupan i ima visoki specifičani toplinski kapacitet kako bi se smanjili troškovi spremnika. Do danas se koriste spremnici toplinskog ulja i rastopljenih soli, međutim planiraju se spemnici vode/pare. Prednost ovog načina pohrane je konstantna temperatura medija za prijenos topline koja je umanjena samo za toplinske gubitke u spremniku. [1] U slučaju masovne pohrane, medij za prijenos topline predaje toplinu drugom materijalu visokog toplinskog kapaciteta. Za tu svrhu mora se osigurati da između medija za prijenos topline i materijala za pohranu topline postoji dobar prijenos topline (tj. velike površine i visoki koeficijent prijenosa topline) kako bi se osiguralo potrebnu razliku radne temperature i smanjenjili gubici prijenosa topline. Masovni spremnici se primjenjuju ako je medij za prijenos topline preskup (npr. sintetičko ulje) ili teško pohranjiv (npr. zrak). Za masovne spremnike koriste se kombinacije termo ulje i beton, termo ulje i rastaljena sol, para i uljni pijesak te zrak i keramičke cigle. Masovni spremnici nude prednost vrlo jeftinog materijala za spremanje topline, međutim, ima i nedostataka uzrokovanih gubitkom topline u spremniku i gubitak koji nastaje u pumpama tijekom dvostranog prijenos topline za vrijeme punjenja i pražnjenja. [1] 22
    • Unutar spremnika koji radi na principu promjene agregatnog stanja materijala vodena para se kondenzira izotermno, tako da materijal za skladištenje (npr. soli, kao što su NaCl, NaNO3, KOH) iz čvrstog stanja prelazi u tekuće. I u ovom slučaju, postoje nedostataci uzrokovani gubitkom topline u spremniku i gubitakom koji nastaje u pumpama tijekom dvostranog prijenos topline. Štoviše, takvi materijali s promjenom agregatnog stanja su još uvijek vrlo skupi. [1] Tablica 3.2. prikazuje termodinamičke podatke odabranih medija za spremanje topline. Jedna od karakteristika je koeficijent prolaska topline ath. Prema jednadžbi (3-5) ath je definiran kao korijen produkta toplinske vodljivosti λ, gustoće medija ρ i specifičnog toplinskog kapaciteta cp. a th      c p (3-5) Tablica 3.2. Parametri medija za toplinski spremnik. Specifični Koeficijent topl. kapacitet prolaska topl. [J/kgK] [Ws1/2/m2K] 970 2100 450 0,12 900 2600 530 450 0,57 927 1500 890 Cigle 700 0,18 – 1,6 800 – 1200 950 925 Beton 400 1,5 2500 850 1785 Čelik 700 40 7900 430 11700 Max. temp. ulje Mineralno ulje Natrijev klorid vodljivost [°C] Silikonsko Topl. [W/mK] 400 0,1 300 Gustoća [kg/m3] 23
    • Sve koncentrirajuće elektrane imaju određenu kratkoročnu sposobnost pohrane toplinske energije u mediju za prijenos topline, odnosno međuspremnik koji im omogućuje izglađivanje proizvodnje električne energije i znatnu eliminaciju kratkoročnih varijacija sunčevog zračenja. Koncept toplinskog spremnika je da se višak topline tijekom dana preusmjerava u materijal za pohranu topline (npr. rastopljenu sol). Nakon zalaska Sunca kad je potrebna proizvodnja električne energije, pohranjena toplina se koristi za proizvodnju pare koja obavlja rad u parnoj turbini. Turbina pogoni generator za proizvodnju električne energije. Istraživanja pokazuju da je na mjestima s visokim izravnim solarnim zračenjem (DNI), vremensko proširenje proizvodnje električne energije kako bi se slagalo sa zahtjevima potrošnje potreban je toplinski spremnik za dva do četiri sata. U nešto manje sunčanijim područjima, spremik topline bi mogao biti veći jer pomaže nadoknaditi manje predvidivo zračenje. Solarno polje je nešto veće u odnosu na nazivnu električnu snagu (tj. elektrana ima veći solarni množitelj) kako bi se osigurala dovoljna proizvodnja električne energije. Kao rezultat toga, u vrijeme maksimalnog solarnog zračenja, solarno polje proizvodi više topline nego njegova turbina može iskoristiti. U nedostatku kapaciteta spremnika topline, za vrijeme najsunčanijih sati, operateri elektrane će morati "defokusirati" neke nepotrebne solarne kolektore. Gubitak energije se može izbjeći pohranom topline u spremnik topline, a također omogućuje proširenje proizvodnje nakon zalaska Sunca. Na primjer, neke parabolične protočne elektrane u Španjolskoj spremaju dovoljno topline u rastaljenoj soli za proizvodnju energije nazivne snage turbine od 50 MWe za više od sedam sati (Slika 3.2.). [7] 24
    • Slika 3.2. prikazuje princip rada koncentrirajuće solarne elektrane sa spremnikom topline. Višak topline prikupljen solarnim poljem prolazi kroz izmjenjivač topline i zagrijava rastaljenu sol koja ide od „hladnog“ spremnika do „vrućeg“ spremnika. Kada je potrebna proizvodnja električne energije, toplina iz „vrućeg“ spremnika se predaje mediju za prijenos topline koji prolaskom kroz generator pare proizvodi paru za pogon turbine. Koriste se različiti kapaciteti toplinskih spremnika kako bi se koncentrirajuća solarna postrojenja prilagodila različitim potrebama potrošnje električne energije. Sve četiri hipotetske elektrane ispod imaju istu veličinu solarnog polja i proizvode istu količinu električne energije, ali u različitim vremenskim razdobljima i različitom snagom. 25
    • Tablica 3.3. Utjecaj kapaciteta spremnika topline na korištenje solarnih termoelektrana. Veličina spremnika turbine polja opterećenja Snaga solarnog Elektrana srednjeg Kapacitet topline [MW] 1 Mali kapacitet 250 Elektrana odgođenog srednjeg Srednji 1 Elektrana opterećenja proizvodnje 8:00 do 19:00 12:00 do 23:00 Trajanje proizvodnje [h] 11 h 11 h Veliki 1 opterećenja Elektrana vršnog 250 spremnika opterećenja konstantnog kapacitet Vrijeme kapacitet 120 0:00 do 24:00 24 h sptemnika Veliki 1 kapacitet spremnika 620 11:00 do 15:00 4h Konfiguracija srednjeg opterećenja je dizajnirana za proizvodnju električne energije kada dostupno zračenje pokriva vršno i prijelazno opterećenje. Proizvodnja električne energije traje od 8 h do 19 h, odnosno 11 sati. Ima 250 MW-nu turbinu i zahtijeva mali kapacitet toplinskog spremnika. Ima najmanje investicijske troškove i najjeftiniju proizvodnju električne energije. [7] Dizajn elektrane odgođenog srednjeg opterećenja prikuplja sunčevu energiju cijeli dan, ali proizvodi električnu energiju od podneva do 23 h, tekođer 11 sati što odgovara vršnim i prijelaznim opterećenjima. Ima istu snagu turbine kao elektrana srednjeg opterećenja, ali zahtijeva veći (srednji) kapacitet spremnika topline. Ovakav dizajn elektrane iziskuje veći tehnički napor te veće investicije, ali proizvodi električnu za vrijeme dva vršna opterećenja odnosno skuplju energiju čime se mogu pokriti troškovi većeg toplinskog spremnika. [7] 26
    • Elektrane konstantnog opterećenja proizvode energiju u trajanju od 24 sata dnevno za većinu godine, te zahtijeva veliki kapacitet toplinskog spremnika i manju turbinu. Ako su troškovi većeg kapaciteta spremnika topline niži od troškova turbine veće snage, proizvedena energija iz elektrane konstantnog opterećenja je nešto jeftinija nego u elektrani odgođenog srednjeg opterećenja. To će vjerojatno biti slučaj s višim radnim temperaturama, što će omogućiti jeftiniji toplinski spremnik, ali zahtijeva sofisticiraniju i skuplju turbinu. [7] Elektrana vršnog opterećenja je dizajnirana za proizvodnju energije u trajanju od nekoliko sati kako bi se pokrilo ekstremna vršna opterećenja. Zahtijeva turbinu velike snage (620 MW) i veliki kapacitet toplinskog spremnika. Od sva četiri dizajna proizvodi najskuplju, ali i najvrjedniju energiju. [7] Koncentrirajuća solarna postrojenja s velikim toplinskim spremnicima mogu biti u stanju proizvoditi solarnu energiju konstantnog opterećenja dan i noć, što omogućuje solarnim elektranama s niskom emisijom ugljika natjecanje s konvencionalnim elektranama koje emitiraju visoke razine CO2. Na primjer, jedan solarni toranj snage 17 MW izgrađen u Španjolskoj koristiti rastaljenu sol kao medij za prijenos topline i kao medij za toplinski spremnik, može pohraniti dovoljno toplinske energije za pokretanje pogona pri punom opterećenju u vremenu od 16 sati. Spremnik topline ima svoju cijenu, te ne može biti proširen na neodređeno vrijeme kako bi se spriječili rijetki događaji nestašice solarne energije. Trenutni fokus energetske industrije je značajno povećanje temperature što poboljšava ukupnu učinkovitost koncentrirajućih solarnih elektrana i smanjenje troškova toplinskog spremnika. Poboljšanje toplinskih spremnika pomoći će jamčiti konstantnu snagu elektrane i proširenje proizvodnje električne energije. Toplinski spremnici potencijalno čine solarne elektrane konstantnog opterećenja samo moguće, iako produljenje proizvodnje električne energije s pomoćnim sustavom na fosilna goriva i hibridizacija ima svoje prednosti i vjerojatno će tako i ostati. [7] 27
    • 3.4. Pomoćni i hibridni sustavi Gotovo sve koncentrirajuće solarne elektrane sa ili bez toplinskog spremnika su opremljene pomoćnim sustavom generiranja pare na fosilna goriva koji pomažu regulaciju proizvodnje i osiguravanje nazivne snage elektrane, pogotovo u vrijeme vršnih i polu-vršnih perioda opterećenja. Plamenici koji mogu koristiti fosilna goriva, bioplin ili solarna goriva mogu osigurati toplinu mediju za prijenos topline, mediju za spremnik topline ili za izravni pogon mrežnog bloka. U područjima gdje izravno sunčevo zračenje nije idealno, pomoćni plamenik na goriva gotovo u potpunosti omogućuje proizvodnju električne energije nazivne snage elektrane po nižoj cijeni nego da solarna elektrana isključivo ovisi o solarnom polju i toplinskim spremnicima (Slika 3.3.). Pružanje 100% nazivne snage elektrane sa samo toplinskim spremnikom će zahtijevati znatno veća ulaganja u rezervna solarna polja i kapacitet toplinskih spremnika, što će dovesti do skuplje proizvodnje električne energije tijekom godine. [7] Slika 3.3. Kombinacija spremnika topline i hibridizacije u solarnoj termoelektrani. Plamenici povećavaju učinkovitost pretvorbe solarne enerhije u električnu energiju na način da se poveća radna temperatura pare. U nekim solarnim elektranama plamenici se mogu koristiti kontinuirano u hibridnom pogonu. 28
    • Koncentrirajuća solarna energija se može koristiti u hibridnom pogonu dodavanjem malog solarnog polja u konvencionalne termoelektrane poput termoelektrane na ugljen ili kombiniranu elektranu na prirodni plin u tzv. integrirani solarni kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated Solar Combined Cycle System). Iako je solarni udio ograničen, hibridizacijom se može postići ušteda goriva. Pozitivni aspekt uštede goriva solarnom energijom je njihova relativno niska cijena, kako su parni krug i turbina već ugrađeni, potrebne su samo komponente specifične za koncentrirajuća solarna postrojenja koja zahtijevaju minimalna dodatna ulaganja. Takve uštede goriva, s kapacitetima od nekoliko megavata do 75 MW, grade se uz postojeće ili nove konvencionalne termoelektrane na fosilna goriva u Alžiru, Australiji, Egiptu, Iranu, Italiji i SAD-u. U SEGS elektranama, izgrađenim u SAD-u između 1984. i 1991., koristi se prirodni plin kako bi poboljšao proizvodnju električne energije tijekom cijele godine. U ljeto, SEGS operateri koristite dodatni plamenik na plin u kasnim poslijepodnevnim satima i pokreću turbinu nakon zalaska sunca (do 10 h). Tijekom zime u vremenu od 12 do 18h), SEGS elektrane koriste prirodni plin kako bi se postigla nazivna snaga turbine dopunom niskog solarnog zračenja. Elektrane su ograničene za proizvodnju 25% primarne energije na prirodni plin. [7] Shams-1 parabolična protočna elektrana snage 100 MW, planirana u Ujedinjenim Arapskim Emiratima, će kombinirati hibridizaciju i dodatni plamenik na prirodni plin, odnosno dva odvojena plamenika. Elektrana će kontinuirano koristiti plin tijekom sunčanih sati kako bi podigla temperaturu pare (s 380 °C na 540 °C) za optimalan rad turbine. Unatoč stalnom korištenju plina, samo 18% ukupne proizvodnje energije čini plin. Elektrana će koristiti prirodni plin za zagrijavanje medija za prijenos topline. Ova rezervna (dodatna) mjera služi za osiguravanje nazivne snage, ali će se koristiti samo kada je solarno zračenje nedostatno za postizanje nazivne snage elektrane. Kroz godinu dana, drugi plamenik može sudjelovati s 3% u ukupnoj proizvodnji energije. [7] 29
    • 3.5. Spajanje solarnih termoelektrana na mrežu Solarne elektrane s toplinskim spremnikom i dodatnim plamenikom nude značajne prednosti za električne mreže. Gubici u toplinskim spremnicima su manji nego u postojećim tehnologijama za pohranu energije (uključujući reverzibilne hidroelektrane i baterije), čineći toplinske spremnike dostupnijim, učinkovitijim i jeftinijim u solarim elektranama. Koncentrirajuća solarna postrojenja mogu poboljšati sposobnost električnih mreža u primanju većeg udjela varijabilnih izvora energije, čime se povećava ukupna mrežna fleksibilnost. Kao što je pokazano u Španjolskoj, povezivanjem koncentrirajuće solarne elektrane olakšava veći udio energije vjetra u određenim mrežnim stanicama. Koncentrirajuće solarne elektrane s dodatnim plamenikom mogu eliminirati potrebu za izgradnjom „vršnih“ konvencionalnih termoelektrana na fosilna goriva koje bi bile u pogonu za vrijeme najvećih opterećenja tijekom nekoliko sati na dan. [7] Optimalna veličina koncentrirajućih solarnih elektrana je oko 200 MW, mnoge postojeće mreže koriste slabe dalekovode na krajnjim dijelovima mreže, odnosno u manje naseljenim područjima, koji ne mogu podržati velike količine električne energije iz solarne elektrane. Dakle, u nekim slučajevima, veličina koncentrirajućih solarnih elektrana može biti ograničena raspoloživim vodovima ili zahtijevati dodatna ulaganja u veće dalekovode. Nadalje, često je lakše dobiti dozvole, mjesto izgradnje, spoj na mrežu i financije za manje koncentrirajuće solarne elektrane koja mogu brže ući u pogon. 3.6. Hlađenje solarnih termoelektrana i zahtijevi za vodom Kao i konvencionalne termoelektrane, solarne termoelektrane zahtijevaju vodu za hlađenje i kondenzacijske procese. Koncentrirajuće solarne elektrane zahtjevaju relativno puno vode, oko 3000 l/MWh za parabolične protočne i fresnel (slično nuklearnim elektranama), u odnosu na 2000 l/MWh za elektrane na ugljen i 800 l/MWh za kombinirane elektrane na prirodni plin. Solarni toranjevi zahtijevaju manje vode po MWh-u nego parabolične protočne elektrane, ovisno o učinkovitosti tehnologije. Parabolični tanjuri su hlađeni okolnim zrakom, te ne trebaju hlađenje vodom. [7] 30
    • Pristup velikim količinama vode je važan izazov za korištenje koncentrirajućih solarnih elektrana u sušnim područjima jer su dostupni vodni resursi vrlo cijenjeni. Suho hlađenje, odnosno hlađenje sa zrakom je jedina učinkovita alternativa koju koriste solarne integrirane u kombinirani kružni proces (ISCCS) elektrane u izgradnji na sjeveru Afrike. Takovo rješenje je skuplje i smanjuje učinkovitost. Suho hlađenje instalirano u paraboličnim protočnim elektranama u vrućim pustinjama smanjuje godišnju proizvodnju električne energije za 7%, a povećava troškove proizvodnje električne energije za oko 10%. Gubici suhog hlađenja su niži za solarne tornjeve nego za parabolične protočne elektrane. Instalacija hibridnih mokro/suhih rashladnih sustava je bolja opcija, te kao takva smanjuje potrošnju vode, s minimalnim gubicima. Hlađenje vodom je učinkovitije, ali skuplje, operatori hibridnih sustava imaju tendenciju da se zimi koristiti suho hlađenje kada su potrebe za hlađenjem niže, a zatim se prebace na hibridni mokro/suhi rashladni sustav tijekom ljeta. Za parabolične protočne elektrane ovakav pristup može smanjiti potrošnju vode za 50%, sa samo 1% pada godišnje proizvodnje električne energije. 3.7. Sustav praćenja prividnog kretanja Sunca Sustav praćenja Sunca nalazi se u svim koncentrirajućim solarnim termoelektranama jer ne proizvode energiju ako nisu orijentirana točno prema Suncu, odnosno ako ne usmjeravaju izravno zračenje na apsorber. Sustave praćenja Sunca možemo podijeliti na jednoosne ili dvoosne, te prema pogonu aktivni ili kronološki. Energija koju snop izravnog solarnog zračenja nosi, opada s kosinusom kuta između zrake svjetlosti i kolektora ili heliostata. U usporedbi s fiksnim kolektorom, jednoosni sustav praćenja povećava godišnju proizvodnju energije za oko 30%, a dvoosni sustav praćenja za dodatnih 6%. 31
    • 3.7.1. Jednoosni sustav praćenja Sunca Jednoosni sustav praćenja prividnog kretanja Sunca koristi se u paraboličnim protočnim termoelektranama. Jednoosni sustav praćenja Sunca karakterizira duga horizontalna cijev koju podupiru stupovi na postoljima, a cijev je orijentirana u liniji sjever-jug, odnosno prati Sunce od istoka prema zapadu. Parabolična zrcala postavljaju se na cijev koja rotira oko svoje osi kako bi pratila prividno kretanje Sunca tijekom dana. Ako solarna termoelektrana nije uz ekvator, nije posebno uspješna zimi (osim ako se nalazi uz ekvator), ali je u značajnoj mjeri produktivnija za ljetno i proljetno razdoblje kada je put Sunca visoko na nebu. Ovi sustavi su manje efikasni na višim zemljopisnim širinama. Osnovna prednost ovih sustava za praćenje je čvrstoća potporne strukture i jednostavan mehanizam. Iako su parabolična zrcala postavljena horizontalno, ona su određene širine, te pri postavljanju više redova kolektora treba paziti da ne dolazi do međusobnog zasjenjivanja. Kod aktivnih mehanizama, jedan kontroler i motor dovoljni su za upravljanje s više redova kolektora. [8] 3.7.2. Dvoosni sustav praćenja Sunca Dvoosni sustav praćenja Sunca fokusira zrake Sunca u točku, te mora stalno pratiti putanju Sunca kako bi se osiguralo da je sunčevo zračenje uvijek paralelno optičkoj osi koncentratora. Dvoosni sustav praćenja Sunca se koristi za parabolične tanjure i solarne tornjeve, odnosno heliostate. Dvoosni sustavi za praćenje Sunca ograničeni su na aktivne sustave za praćenje i dijele se na visinsko-azimutne i polarne. Polarni sustav praćenja Sunca ima jednu os koja je paralelna Zemljinoj osi rotacije (polarna os), a drugu os u ravnini ekliptike (os deklinacije). Polarna os prati Sunce od izlaska do zalaska svaki dan, odnosno mehanizam zakreće sustav po 15° na sat nadoknađujući Zemljinu rotaciju u odnosu na Sunce. Os deklinacije zahtijeva manje podešavanja tijekom godine zbog manjeg odstupanja od ravnine ekliptike. Visinsko-azimutni sustavi za praćenje Sunca imaju jednu os koja je vertikalni rotirajući stup (Slika 3.4. lijevo) ili horizontalno prstenasto postolje (Slika 3.4. desno) koje dopušta uređaju da bude zakrenut do orijentacijske točke. Prstenasto postolje ima određenu prednost zbog bolje raspodjele mase u više točaka za razliku od jednog nosivog stupa. Druga os je horizontalna, 32
    • nagibna osovina postavljena iznad azimut osovine ili horizontalnog prstenastog postolja. Kombiniranjem dviju osi svaka lokacija iznad zemljine hemisfere može biti istaknuta. Visinskoazimutni sustav može se kontrolirati putem kompjutora ovisno o očekivanoj orijentaciji Sunca ili može koristiti senzore za traganje koji kontroliraju motorni pogon za orijentaciju heliostata prema Suncu. Ovakav način postavljanja koristi se i za orijentiranje paraboličkih kolektora sa Sterling-ovim motorom. Zbog kompliciranog gibanja Sunca po nebu i često puta velikih udaljenosti između heliostata i prijemnika, potrebna je visoka razina preciznosti za pravilno usmjeravanje sunčevih zraka na prijemnik, jer i najmanja pogreška kuta će dovesti do gubitka veće količine energije. Slika 3.4. Dvoosni sustav praćenja Sunca, vertikalni stup (lijevo) i horizontalno postolje (desno) 3.7.3. Aktivni pogon sustava za praćenje Sunca Upravljački sklop reagira na smjer Sunca, te usmjerava sustav za praćenje koristeći motore i zupčanike. Aktivni dvoosni sustavi za praćenje koriste se za orijentiranje heliostata. Kako je svaki heliostat u velikom polju heliostata individualno usmjeren, heliostati se kontroliraju programski, centralnim računalnim sustavom koji omogućava gašenje sustava prema potrebi u slučaju prevelikog opterećenja vjetra. Kolektor može biti upravljan vlastitim sustavom za praćenje Sunca. Takav upravljački skolop se sastoji od svjetlosnih senzora odnosno fotodioda, različito postavljenih tako da nema 33
    • napona na izlazu ukoliko primaju istu količinu svjetlosti. Mehanički gledano, morale bi trebali biti postavljene tako da tvore kut od 90° kako bi pokrili upravljanje u dvije osi. [8] Budući da motori troše energiju, želi ih se samo nužno koristiti. Dakle, umjesto u kontinuiranom pokretu, heliostat se pomiče u diskretnim koracima. Isto tako, ako je zračenje ispod određenog praga ne bi se dovoljno proizvelo energije da bi opravdalo preusmjeravanje. Ovo također vrijedi kad nema dovoljne razlike u zračenju iz jednog i drugog smjera, što se događa kad iznad prolaze oblaci. Treba paziti na preveliku osjetljivost sustava za praćenje Sunca kako se heliostat nebi stalno pomjerao i tako trošio energiju tijekom oblačnih razdoblja. [8] 3.7.4. Kronološki sustav za praćenje Sunca Kronološki sustav za praćenje Sunca radi na principu zakretanja heliostata u smjeru suprotnom zemljinoj rotaciji i jednakim omjerom. Zapravo omjeri nisu sasvim jednaki, jer kako Zemlja putuje oko Sunca, promjena položaja Sunca u odnosu na Zemlju po 360° svake godine ili 365,24 dana. Kronološki sustav je vrlo jednostavan i potencijalno vrlo precizan sustav praćenja posebno za korištenje u polarnom sustavu za praćenje. Način upravljanja može biti vrlo jednostavan kako se pogonski uređaj okreće s prosječnom stopom od jednog okreta po danu (15° po satu). U teoriji, heliostat može rotirati u potpunosti, pod pretpostavkom da postoji dovoljno slobodnog prostora za potpunu rotaciju i pod pretpostavkom da uvijanje kabela nije problem. Heliostat je jednostavno vratiti na jutarnji položaj, što se može obaviti u bilo koje vrijeme između sumraka i zore. [8] 34
    • 4. PARABOLIČNE PROTOČNE TERMOELEKTRANE Sve parabolične protočne elektrane koje su trenutno u komercijalnoj upotrebi koriste sintetičko ulje kao medij za prijenos topline od kolektora do izmjenjivača topline, gdje se voda zagrijava, isparava i pregrijava. Pregrijana para pokreće parnu turbinu koja pogoni električni generator. Nakon što se voda ohladi i kondenzira vraća se u izmjenjivač topline. Od koncentrirajuće solarne tehnologije parabolične protočne elektrane su najkompetentnije i čine većinu trenutnih komercijalnih postrojenja. Većina postojećih postrojenja imaju malo ili nimalo toplinskih spremnika i oslanjaju se na fosilna goriva za rezervu snage. Na primjer, sva koncentrirajuća solarna postrojenja u Španjolskoj koriste 12% do 15% godišnje proizvodnje električne energije iz prirodnog plina. Neke novije elektrane imaju značajne kapacitete spremnika topline. [1] Parabolični protočni i fresnelovi kolektori reflektiraju zračenje na apsorber pozicioniran u žarišnoj liniji koncentratora. Kolektor prati Sunce u jednoj osi (Slika. 4.1.), zbog toga je geometrijski faktor koncentracije od 15 do 30, te je znatno manji od dvoosnih kolektora. To je razlog nižih temperatura postignutih u odnosu na solarni toranj. Međutim, ovaj nedostatak kompenziraju manji specifični troškovi, jednostavnija struktura te jeftinije i lakše održavanje. Sastavni elementi paraboličnih termoelektrana su kolektor, apsorber, medij za prijenos topline i pogonskog bloka. [1] Slika 4.1. Linijski koncentrirajući kolektori a) parabolični protočni i b) fresnelov kolektor. 35
    • 4.1. Kolektori Kolektori su dugi od 100 do 150 m s jednoosim sustavom za praćenje. Srednji godišnji gubici paraboličnih protočnih kolektora variraju između 10 i 13%, dok je kod fresnelovih kolektora vrijednost dvostruko veća. Nakon optičkih i toplinskih gubitaka unutar kolektora 4070% upadnog zračenja na zrcalu može se tehnički iskoristiti. Postotak ovisi o dizajnu, veličini polja i zemljopisnoj lokaciji elektrane. [1] 4.1.1. Parabolični protočni kolektor Parabolični protočni kolektor karakterizira parabolični reflektor koji usmjerava upadno zračenje na cijev pozicioniranu u žarišnoj liniji (Slike 4.1.a) i 4.2.). Reflektor se može sastojati od jedne reflektirajuće površine (zrcala) ili više zakrivljenih zrcala koji se slože u kučište, potonja varijanta komercijalno se primjenjuje. Kolektori su montirani na nosivu strukturu za praćenje Sunca uzdužnom osi. Slika 4.2. Parabolični protočni kolektor. 36
    • Zrcala se sastoje od posrebrene stražnje strane stakla s malo željeza za postizanje visokih vrijednosti reflektivnosti sunčevog spektra. Kad su zrcalni segmenti čisti solarna reflektivnost iznosi oko 94%. Budući da je staklo otporno na vremenske uvjete reflektivnost ostaje praktički nepromijenjena. Jedan kolektor sastoji se od niza kolektorskih elemenata 12 m svaki. Najveći kolektor izgrađen do danas (Skal-ET) sastoji se od 12 kolektorskih elemenata (6 na svakoj strani središnjeg pogonskog pilona). Ima ukupnu dužinu od 150 m i otvor širine 5,7 metara. Svaki kolektor je opremljen sa senzorom kutnog položaja za praćenje položaja Sunca. Prvi kolektori su bili opremljeni električnim motorima ili kabelskim vitlima kao pogonom. Za novije LS-3 i EuroTrough kolektore koriste se jeftiniji i učinkovitiji hidraulički pogoni. Zbog svoje specifične geometrije parabolični protočni kolektori su skupi, međutim, u posljednjih nekoliko godina tankoslojna (thin-film) nanotehnologija je značajno smanjila trošak paraboličnih zrcala. [1] 4.1.2. Fresnel kolektor (LFR - Linear Fresnel Reflectors) Fresnelov kolektor (LFR - Linear Fresnel Reflectors) je aproksimirani profil parabole s manjim segmentima (Slika 4.1. b) i 4.3.). Manji segmenti su pojedinačna duga ravna ili blago zakrivljena zrcala približno širine do 2 m, tako da reflektiraju zračenje u zajedničku fiksnu žarišnu liniju, što dovodi do njihove niže cijene. Svi segmenti su montirani u istoj ravnini (blizu tla ili na nosivu strukturu). Zbog njihove manje širine izloženi su manjem opterećenju vjetra u odnosu na parabolične protočne kolektore. Međutim, različiti segmenti mogu se zasjenjivati međusobno. Zbog svoje specifične geometrije, fresnel kolektori imaju manji faktor koncentracije i manju optičku učinkovitosti u usporedbi s paraboličnim protočnim kolektorima. Takvi gubici mogu se djelomično kompenzirati naizmjeničnim pozicijama zrcala. Svaki reflektirajući segment rotira oko svoje osi, te mogu biti pokretani zasebno ili kao grupa. Time zahtijevaju sofisticiraniji upravljački sustav od paraboličnih protočnih kolektora, potrebno je više pogonskih urađaja. To je razlog zašto su takvi kolektori do danas testirani na manjem broju, prvi su se komercijalno počeli primjenjivati od 2004. u Liddell-i, Australiji. Glavna prednost fresnelovih kolektora je jednostavan dizajn fleksibilno savijenih zrcala i fiksni apsorber, čime se eliminira potreba i trošak fleksibilnih cijevi medija za prijenos topline. Fiksni apsorber zahtijeva niže troškove ulaganja i olakšava čiščenje i održavanje. 37
    • Slika 4.3. Fresnelov kolektor 4.1.3. Kompaktni Fresnel kolektor (CLFR – Compact Linear Fresnel Reflectors) Noviji dizajn, poznat kao kompaktni fresnelov kolektor (CLFR - Compact Linear Fresnel Reflectors), koristi dva paralelna apsorbera za svaki red zrcala te tako zahtjeva manju površinu od paraboličnih protočnih kolektora (Slika 4.4.). Klasični fresnelov kolektor ima samo jedan apsorber po fresnelovom kolektoru što smanjuje opcije orijentacije određenih reflektora. Budući da kompaktni fresnelov kolektor ima dva apsorbera koji su dovoljno blizu jedan drugome, pojedini dio kolektora će imati mogućnost usmjeravanja sunčevog zračenja na najmanje dva apsorbera. Ovaj dodatni faktor daje mogućnost gušće postavljenog polja, jer se pojedini dijelovi kolektora mogu postaviti bez međusobnog zasjenjivanja, čime se dobiva više energije usprkos efikasnosti manjoj od 20%. Solarne elektrane s kompaktnim fresnelovim kolektorima nude smanjenje troškova u svim elementima solarnog polja. Smanjeni troškovi potaknuti su napretkom tehnologije. Značajke koje poboljšavaju isplativost ovog sustava u usporedbi s paraboličnim protočnim kolektorima uključuju smanjene strukturne troškove, crpne gubitke i jeftino održavanje. Petlja prijenosa topline je odvojena od kolektorskog polja, time izbjegava troškove fleksibilnih visokotlaćnih cijevi potrebnih kod paraboličnih kolektora. 38
    • Slika 4.4. Kompaktni fresnelov kolektor 4.2. Apsorber Kao apsorber se koriste horizontalno postavljene cijevi u žarišnoj liniji kolektora, za fresnelove kolektore može biti grupa cijevi zbog njihove šire žarišne linije. Današnji parabolični protočni kolektori kao apsorbere koriste cijevi od nehrđajućeg čelika koji se nalaze u vakuumiranim staklenim cijevima kako bi se smanjili gubici topline (Slika 4.5.). Vakuum služi i kako bi zaštitio osjetljivi visoko selektivni premaz. Premaz je dizajniran kako bi omogućio apsorpciju visokih razina sunčevog zračenja, dok emitira vrlo malo infracrvenog zračenja. Takav selektivni premaz ostaje stabilan i do temperature 500 °C, apsorpcija solarnog zračenja je iznad 95%, a na temperaturi od 400 °C zračenje je ispod 14%. 39
    • Slika 4.5. Apsorberska cijev paraboličnog protičnog kolektora. Dokazani dizajn apsorbera (Slika 4.6. a)), Slika 4.6. b) i c) pokazuju dvije dodatne varijante koje koriste sekundarni koncentrator i grupu cijevnih apsorbera. Obje opcije su osmišljene da odgovaraju optici fresnevovih kolektora. Slika 4.6. Apsorber paraboličnog protočnog kolektora a) i fresnelovog kolektora b) i c) (šira žarišna linija). 40
    • 4.3. Medij za prijenos topline Sintetička ulja se primjenjuju kao medij za prijenos topline u apsorberskim cijevima. Zbog ograničene toplinske stabilnosti ulja, maksimalna radna temperatura je ograničena na 400 °C. Tolika temperatura zahtijeva da ulje bude pod tlakom (12 do 16 bara). Apsorberske cijevi, ekspanzijski rezervoar i izmjenjivač topline moraju biti pod tlakom, te su potrebna relativno visoka ulaganja. [1] Zamjena za ulje može biti rastaljena sol kao medij za prijenos topline. Rastaljena sol ima prednosti nižih specifičnih troškova, veći toplinski kapacitet i time potencijalno veću radnu temperaturu. S druge strane, ima veću viskoznos i veću temperaturu taljenja te zahtijevaju početno zagrijavanje. Istraživanja izravnog generiranja pare unutar apsorberskih cijevi su očekivala veliko smanjenje troškova i potencijalno veću učinkovitost. Prednosti su veća radna temperatura pare i to što ne postoji petlja sekundarnog prijenosa topline i izmjenjivača topline. Očekivani problemi vezani s isparavanjem vode u horizontalnoj cijevi zbog dvosmjernog strujanja i time različitog prijenosa topline mogu riješiti dostupne tehnologije kotlova s prisilnom cirkulacijom s visokom recirkulacijskom stopom i separatora pare. Moguće je izravno generiranje zasićene pare po redu koncentrirajućih kolektora. Međutim, visoki tlak pare (50 do 100 bar) zahtijeva deblje stijenke apsorbera, tako da bi široki snopovi apsorberskih cijevi mogli biti prikladaniji nego pojedinačna cijev apsorbera. [1] 4.4. Kolektorska polja Kolektorska polja se sastoje od određenog broja petlji približne dužine 600 metara svaka. Petlje su na jedanom kraju spojene na ulaznu liniju (hladnu) a drugi na izlaznu liniju (vruću) svakog reda kolektora. S obzirom na teren poseban naglasak mora biti stavljen na udaljenosti između pojedinih kolektorskih redova. Udaljenost određuje sjenčanje tijekom jutarnjih i večernjih sati, a time i odgovarajuće smanjenje cijelog terena. Troškovi zemljišta i cjevovodi kao i toplinski gubici i gubici u pumpama se moraju uzeti u obzir. Budući da efekt sjenčanja također ovisi o geografskoj širini, svako polje mora biti optimizirano s obzirom na specifične uvjete 41
    • mjesta. Udaljenost između redaka paraboličnih protočnih kolektora obično iznosi tri puta širina otvora. Kolektori su postavljeni vodoravno, nagib od nekoliko posto je dopušten. Međutim, veće neravnine moraju se poravnati. [1] Ostvariv toplinski izlaz cijelog polja je ograničen tlačnim gubicima medija za prijenos topline i troškovima cjevovoda. Trenutno, najveći ekonomski razuman toplinski kapacitet solarnog polja sa sintetičkim uljem procjenjuje se na oko 600 MW. [1] 4.5. Izgrađene parabolične protočne termoelektrane 4.5.1. SEGS (Solar Electricity Generation Systems) Najveći udio solarne termalne električne energije se proizvodi paraboličnim protočnim termoelektranama. U pustinji Mojave u Californiji, u SAD-u devet tzv. SEGS (Solar Electricity Generation Systems) postrojenja je izgrađeno, u razdoblju od 1985. do 1991., (Tablica 4.1.) ukupnog električnog kapaciteta 354 MWe instalirane snage. Sve solarne termoelektrane su korištene za proizvodnju električne energije za komercijalnu upotrebu. [1] SEGS elektrane imaju ukupno 936.384 zrcala i pokrivaju više od 647 hektara. Kad bi se parabolični kolektori postavili u liniju, bila bi duljine 369 km. Kao primjer troškova, u 2002., za izgradnju jedne parabolične protočne termoelektrane snage 30 MW bilo bi potrebno 90 milijuna dolara, a njen rad i troškovi održavanja oko 3 milijuna dolara godišnje (4,6 centi po kilovatsatu). Uz životni vijek od 20 godina, rad, održavanje, investicijske kamate i amortizacija utrostručila bi se cijena, oko 14 centi po kilovatsatu. 42
    • Tablica 4.1. Tehnički parametri paraboličnih protočnih termoelektrana. [1] SEGS 1 SEGS 2 SEGS 3 SEGS 4 SEGS 5 Godina izgradnje 1985 1986 1987 1987 1988 Snaga [MW] 14 30 30 30 30 Tip kolektora LS1/LS2 LS1/LS2 LS2 LS2 LS2/LS3 Broj kolektora 608 1054 980 980 1024 Ukupna površina kolektora [m2] 82 960 190 338 230 300 230 300 250 560 Max. Temp. Medija [°C] 307 316 349 349 349 Toplinski kapacitet [MWh] 120 SEGS 6 SEGS 7 SEGS 8 SEGS 9 Godina izgradnje 1989 1989 1990 1991 Snaga [MW] 30 30 80 80 Tip kolektora LS2 LS2/LS3 LS3 LS3 Broj kolektora 800 584 852 888 Ukupna površina [m2] 188 000 194 280 464 340 483 960 Max. Temp. Medija [°C] 390 390 390 390 Sve SEGS termoelektrane koriste termo ulje koje se pumpa kroz polje solarnih kolektora. SEGS 1 postrojenje koristilo je mineralno ulje da bi moglo raditi na niskim temperaturama te ne mora biti pod tlakom. Potreban je pregrijavač pare (superheating) za pogon parne turbine koji se sastoji od kotla na prirodni plin te osigurava konstantan pogon cijelog postrojenja. Korišteno mineralno ulje je vrlo jeftino te je dodan toplinski spremnik kapaciteta 120 MWh. S obzirom na toplinski kapacitet i snagu koju SEGS 1 postrojenje posjeduje može se izračunati da je toplinski kapacitet dovoljan za nešto više od 8,5 sati rada. Sljedeća SEGS postrojenja koriste sintetička ulja i izmjenjena im je konfiguracija. Sintetička ulja se i danas koriste te omogućuju maksimalne operativne temperature do 400 °C, ali se moraju držati pod tlakom od najmanje 12 bara. Od 43
    • SEGS 6 pa nadalje, dodan je solarni dogrijavač pare (re-heater) koji s poboljšanim parametarima pare povećava toplinsku učinkovitost kružnog procesa od 30,6 do 37,5%. [1] 391°C 371° C, 100 bar NT Dogrijavač pare Generator pare Bojler 371° C, 17 bar Rastaljena sol Pregrijavač pare 510° C VT G Generator Toranj Prirodni plin Kondenzator 283°C Predgrijavanje vode Pumpa Dogrijavač pare Pumpa Slika 4.7. Shema parabolične protočne solarne termoelektrane (SEGS 6 i 7). Potrebna para generirana je izravno ili neizravno u sekundarnom toplinskom krugu (Slika 4.7.). Tipični parametri za neizravno generairanje pare su približno 100 bara pri 371 °C (zbog temperaturne granice medija za prijenos topline) ili za izravno generiranje pare 80 bar pri 430 °C. U usporedbi s konvencionalnim parnim termoelektranama naznačeni parametri su relativno niski. Ipak, to je u velikoj mjeri nadoknađeno tehničkim poboljšanjima. Međutim, za elektrane ovog kapaciteta prilično su neobična procesna poboljšanja, kao što su srednji pregrijavač pare (superheating) i stupnjevito predgrijavanje vode. Unatoč nepovoljnim parametrima pare, SEGS 4 -6 postrojenja s 30 MW postižu učinkovitosti do 38%. Slika 4.8. prikazuje proizvodnju električne energije u kWh/m2 po danu u ovisnosti oizravnom sunčevom zračenju (DNI) u kWh/m2 po danu. [1] 44
    • Slika 4.8. Proizvodnja električne energije SEGS elektrana u ovisnosti o izravnom sunčevom zračenju. Hibridizacijom je moguća integracija dodatnog kotla na fosilna goriva i / ili biomasu kako bi se osigurao neprekidan rad elektrane za vrijeme promjenjivog solarnog zračenja ili bez solarnog zračenja (oblačno ili noć). Također, moguće je dodati paralelne generatore pare, dodatni tehnički napor omogućuje bolje parametre pare a time i veću električnu učinkovitost. Koncept SEGS postrojenja također se primjenjuje za novije parabolične protočne elektrane čija upotreba osigurava solarnu energiju bez velikih dodatnih kotlova. 4.5.2. Andasol Andasol predstavlja prvu solarnu termoelektranu u Europi koja koristi parabolične kolektore za dobivanje električne energije koja se sastoji od tri zasebne elektrane. Solarno polje Andasol-1 se sastoji od 209 664 paraboličnih reflektora koji zauzimaju površinu od 510 120 m2 (oko 70 nogometnih igrališta), i proizvodi 180 GWh godišnje. Andasol-1 ima instaliranu snagu od 50 MW, nalazi se na nadmorskoj visini od 1 100 metara, a godišnja insolacija je oko 2 200 kWh/m2 godišnje. Andasol-2 i 3 su gotovo identične prvoj. S obzirom da su kolektori postavljeni uzduž pravca sjever – jug, prate kretanje Sunca od istoka do zapada. Pomjeranje kolektora je stalno, a najveći kosinusni gubici (Lambertov zakon) je u podne, a najmanji u jutarnjim i kasnim 45
    • popodnevnim satima. Elektrana Andasol 3 ima sustav za skladištenje topline koji omogućuje proizvodnju električne energije čak 8 sati za vrijeme oblačnog vremena ili noću. [9] 4.5.3. Puerto Errado 2 (PE2) Puerto Errado 2 (PE2) sastoji se od 28 redova (dužine 940 m) fresnel kolektora s površinom zrcala od 302.000 m2, što je najveća svjetska operativna solarna elektrana s fresnelovim kolektorima (Slika 4.9.). Fresnel kolektori proizvode paru temperature 270 °C i tlaka 55 bara s izlaznom toplinskom snagom od 150 MWth. PE2 proizvodi električnu energiju isključivo solarnim zračenjem, te je instalirane snage 30 MWe. Slika 4.9. Solarna elektrana PE2 s fresnelovim kolektorima instalirane snage 30 MWe. 46
    • 4.6. Solarna integrirana u kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated Solar Combined Cycle System) Kako bi se poboljšala dostupnost, učinkovitost i upravljivost, solarno polje može se ugraditi u kombiniranu elektranu. Para dobivena solarnom energijom pregrijava se još jednom do temperature od približno 530 °C u kotlu. Ako se polje solarnih kolektora integrira u parni ciklus, para dobivena solarnom energijom prenosi se na visokotlačni ciklus generatora pare (Slika 4.10.). Potrebna energija fosilnih goriva time je smanjena, tako se više pare može generirati s istom količinom fosilnog goriva ili s manjom količinom fosilnih goriva dobiti istu količinu pare. U ovom načinu rada, plinska turbina može biti u djelomičnom opterećenju, solarno polje tako štedi energiju fosilnih goriva. Udio solarne energije je između 3 i 10%. [1] Slika 4.10. Solarna integrirana u kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated Solar Combined Cycle System). 47
    • 4.7. Integracija u konvencionalnu elektranu Integriracija solarne energije u konvencionalne elektrane je uključivanje sunčeve topline u predgrijavanje napojne vode konvencionalnih postrojenja parnih elektrana. Za predgrijavanje napojne vode, u uobičajenom slučaju potrebno je izvaditi paru iz turbine, koja tada nije dostupna za ekspanziju u turbini. Ako je solarna toplinska energija dostupna za predgrijavanje vode, para se može iskoristiti za pokretanje turbine. U ljeto 2004., prva faza zagrijavanja napojne vode solarnom energijom izvedena je pomoću fresnelovih kolektora koji je isporučen u Liddell, Australija. Za konačnu konfiguraciju planirano je da posljednji visoko tlačni predgrijavač (preheater) isključivo radi na solarnu energiju. Ova elektrana će se testirati i s dodatnim generatorom pare. [1] 48
    • 5. SOLARNI TORANJ (CRS – Central Receiver System) Solarni toranj (koji se naziva sustav sa središnjim prijamnikom) koristi zrcala (heliostate) koji prate putanju Sunca u dvije osi, te reflektiraju izravno sunčevo zračenje na prijemnik centralno postavljen na toranj (Slika 5.1.). Prijemnik pretvara energiju zračenja u toplinu i prenosi na medij za prijenos topline (zrak, rastaljena sol) koji u generatoru pare proizvodi paru koja pogoni konvencionalnu parnu turbinu. Neki komercijalni solarni tornjevi izravno generiraju paru. Da bi se osigurali konstantni parametri i konstantan protok radnog medija zbog vremenski promjenjivog sunčevog zračenja dodaje se spremnik topline ili dodatni kotao na fosilna goriva (poput prirodnog plina) ili obnovljivih izvora energije (biomase). Slika 5.1. Solarni toranj PS20 snage 20 MW. Za toplinski kružni proces solarnih toranjeva primjenjuju se uglavnom komponente komercijalno dostupne iz konvencionalnih termoelektrana. Solarni tornjevi postižu vrlo visoke 49
    • temperature, čime se povećava učinkovitost pretvorbe topline u električnu energiju. Ovakav pristup koncentriranoj solarnoj energiji je vrlo fleksibilan, može se birati između raznih heliostata, prijemnika, medija za prijenos topline i pogonskog bloka. Neke elektrane koriste više tornjeva za snabdijevanje jedanog pogonskog bloka. Trenutno ostvarivi tlakovi i temperature radnih medija korištenih za solarne toranjeve su u skladu s trenutnim snagama termoelektrana. Snage solarnh toranjeva su u rasponu od 5 do 200 MW na taj način mogu biti izgrađene korištenjem komercijalno dostupnih turbina i generatora, uključujući i svih pomoćnih sustava. 5.1. Heliostati Heliostati su reflektirajuće površine (zrcala) spojeni na dvoosini sustav praćenja Sunca koji osiguravaju da se sunčevo zračenje reflektira prema centralnom prijemniku tijekom dana. Heliostati često koncentriraju zračenje pomoću zakrivljenih plohi ili odgovarajuće orijentacije pravilnih ploha, tako da se gustoća solarnog zračenja povećava. Heliostati se sastoje od zrcala, sustava za praćenje Sunca koji je opremljen pogonskim motorom, temeljima i kontrolnom elektronikom. Orijentacija pojedinih heliostata obično se izračunava na temelju trenutnog položaja Sunca, prostornog položaja samog heliostata i centralnog prijemnika. Ciljna vrijednost se elektronički prenosi komunikacijskom linijom odgovarajućim pogonskim motorima. Informacija se obnavlja svakih nekoliko sekundi. Veličina koncentrirajuće površine dostupnih heliostata kreće se između 20 i 150 m2, do sada najveći heliostat površine je 200 m2. [1] Za polje heliostata računa se oko pola cijene solarnih komponenti za takvu elektranu. To je razlog zašto se ulažu ogromni napori da se razvije heliostat dobre optičke kvalitete, visoke pouzdanosti, dugog životnog vijeka i niskih specifičnih troškova. Iz ekonomskih razloga postoji tendencija za proizvodnju heliostata s površinom u rasponu između 100 i 200 m2, te veće. Međutim, postoji pristup proizvodnji manjih heliostata kako bi se smanjili troškovi učinkovitom masovnom proizvodnjom. Heliostati su obično centralno kontrolirani i napajani električnom energijom. Međutim, razvijeni su autonomni heliostati koji su pod lokalnom kontrolom. U tom slučaju energija potrebna za kontrolu procesora i pogona osiguravaju fotonaponske ćelije montirane paralelno sa zrcalima. 50
    • Individualno kontrolirani heliostati se koriste kako bi kontrolirali gustoću toka solarnog zračenja na prijemniku. Zbog tog razloga nisu svi heliostati fokusirani na istoj točki prijemnika, a njihovom kontrolom se osigurava glatka distribucija toka zračenja po cijeloj površini prijemnika. [1] Na temelju kretanja u posljednjih nekoliko godina razlikujemo ravne (faceted) i membranske heliostate (Slika 5.2.). Slika 5.2. Ravni (lijevi) i membranski (desni) heliostat. 5.1.1. Ravni heliostat Ravni heliostat sastoji se od određenog broja reflektirajćih površina (zrcala) montirane na rešetkastu konstrukciju koja je smještena na nosivi stup. Reflektirajuća površina se sastoji od pojedinačnih zrcala veličine između 2 i 4 m2. Orijentacija pojedinih zrcala na montažnoj konstrukciji (nagib) je različit za svaki heliostat unutar heliostatskog polja, a rezultat toga je vrlo skup. Heliostati prate Sunce u dvije osi postavljene okomito jedna na drugu (najčešće montažni stup i glavna vertikalna os) prema željenom azimutu i kutu elevacije. Ulažu se veliki napori za 51
    • umanjivanje utjecaja nagiba i broj pojedinih pogona. Heliostat prikazan na slici 5.2. (lijevo) kao primjer ima koncentrator širine 13 i visine 9 metara. Veličina pojedinih zrcala je 3 × 1 m i ukupne težine bez temelja 5 tona. [1] 5.1.2. Membranski heliostati Kako bi se izbjegla ili smanjila problematika montaže i proizvodnje pojedinačnih zrcala te istovremeno dobila visoka reflektivnost razvijeni su rastegnuti membranski heliostati. Reflektirajuća površina sastoji se od bubnja, koji se sastoji od metalnog prstena i s tlakom rastegnuta membrana, pričvršćena na prednjoj i stražnjoj strani metalnog prstena. Za tu svrhu koriste se plastične folije ili metalne membrane. U slučaju metalnih membrana, karakterizira ih znatno duži životni vijek, prednja membrana je prekrivena tankim zrcalima kako bi se postigla željena refleksija. [1] Unutar koncentratora vlada blagi vakuum (nekoliko milibara) stvoren vakuumskim propelerom ili vakuumskom pumpom. Vakuum mijenja oblik membrane do te mjere da se zrcalo pretvara u koncentrator. Ostali dizajni koriste središnji mehanički ili hidraulički utjecaj za deformaciju membrane. Obje konfiguracije su povoljne kako se žarišna duljina može lako postaviti pa i tijekom rada. Vjetar ima nepogodan utjecaj na optičku kvalitetu heliostata te u slučaju korištenja vakuumskog ventilatora potrošnja energije u ventilatoru. [1] Slika 5.2. (desno) i 5.3. prikazuje primjer heliostata metalne membrane opremljen jednostavnim cijevnim okvirom pokretan sa šest kotača na prstenastom temelju za rotaciju vertikalne osi, a dva vodoravno postavljena ležaja formiraju horizontalnu os. Pomjer koncentratora heliostata prikazanog na slici 5.3. (ASM 150) sa zrcalom površine 150 m2 iznosi 14 metara. Debljina koncentratora je 0,75 m i težine oko 7,5 t. 52
    • Slika 5.3. Membranski heliostat ASM 150. 5.2. Polje heliostata i toranj Izgled polja heliostata određene su tehničkim i ekonomskim optimizacijama. Heliostat smješten najbliže tornju ima najniže sjenčanje, a heliostat smješten sjeverno na sjevernoj hemisferi (ili južno na južnoj hemisferi) pokazuju najniže kosinus gubitke (cosine loss). Heliostati postavljeni daleko od tornja zahtijevaju vrlo precizno praćenje Sunca i ovisno o zemljopisnom položaju moraju se postaviti šire od susjednih heliostata zbog većeg sjenčanja. Ekonomski isplativu veličinu polja utvrđuju cijena zemljišta, sustav praćenja i orijentacije. [1] Visina tornja na kojem je prijemnik montiran određuje tehničke i ekonomske optimizacije. Viši tornjevi su općenito povoljniji jer moguće postaviti veće i gušće polje heliostata zbog nižih gubitaka sjenčanja. Međutim, prednost se umanjuje višim zahtjevima u pogledu preciznijeg sustava praćenja Sunca postavljenog na pojedinim heliostatima, troškova toranja i cjevovoda kao i crpnih i toplinskih gubitaka. Prosječni tornjevi imaju visinu od 80 do 100 metara. Struktura tornjeva može biti rešetkasta i betonska. Troškovi za cijevi i tehničkog izazova smještanja parne turbine na vrh tornja mogu se izbjeći sekundarnim reflektorom instaliranog na vrh tornja koji usmjerava direktno zračenje na prijemnik pri tlu. Iako ova mjera pomaže pri smanjenju troškova za toranj, cjevovoda i parne turbine ukupna učinkovitost 53
    • heliostatskog polja je smanjena zbog dodatnih optičkih gubitaka uzrokovanih sekundarnim reflektorom. [1] 5.3. Prijemnik (receiver) Prijemnik solarnog toranja služi za pretvaranje energije zračenja, preusmjerenu i koncentriranu poljem heliostata, u tehnički upotrebljivu energiju. Uobičajena gustoća toka zračenja varira između 600 i 1000 kW/m2. Prijemnike razlikujemo prema korištenom mediju za prijenos topline (zrak, rastaljena sol, voda/para, tekući metal) i geometriji prijemnika (šuplji, cilindrični i konusni). [1] 5.3.1. Prijemnik na vodu/paru Prvi solarni toranjevi (Solar One u Kaliforniji, CESA-1 u Španjolskoj) su cilindričnog prijemnika. Dizajn, u velikoj mjeri odgovara cilindričnim prijemniku na rastaljenu sol prikazanog na slici 5.4.. Slično konvencionalnim parnim procesima, voda isparava, a dijelom se pregrijava u cilindričnom prijemniku. Budući da je pregrijana para sklona nepovoljnom prijenosu topline te zbog činjenice da operacije pokretanja pogona ili djelomičnog opterećenja zahtijevaju komplicirane kontrole upravljanja, ovakav pristup trenutno se više ne razvija. Navedene poteškoće djelomično se mogu spriječiti izbjegavanjem pregrijavanja pare (zasićene pare). Međutim, pod tim parametrima pare parna turbina radi s niskom efikasnošću zbog termodinamičkih ograničenja. [1] 5.3.2. Prijemnik na rastopljenu sol Problematika prijenosa topline s vertikalnim cilindričnim prijemnikom, primjer prikazan na slici 5.4., djelomično se može izbjeći dodatnim prijenosnim toplinskim krugom. Toplinski medij korišten u sekundarnom prijenosnom krugu trebao bi imati visoki toplinski kapacitet i dobru toplinsku vodljivost. U skladu s tim zahtjevima koristi se rastaljena sol koja se sastoji od natrijevog ili kalijevog nitrata (NaNO3, KNO3). Za obje opcije, zahvaljujući dobroj toplinskoj 54
    • provodljivosti, medij za prijenos topline dodatno služi kao medij za pohranu topline i stoga može kompenzirati fluktuacije dostupnog zračenja. [1] Jedan nedostatak prijemnika na rastopljenu sol je što sol mora biti tekuća i tijekom vremena kada nema sunčevog zračenja, u suprotnom bi se skrutnila i uništila optemu. To zahtijeva konstantno zagrijavanje cijelog dijela instalacije koji je ispunjen soli (spremnike, cijevi, ventile) i time povećava potrošnju same elektrane ili u potpunosti isprazniti dio instalacije ispunjen soli. Visoko korozivni plin korištenih soli ima štetan učinak, zbog neželjenog isparavanja malih količina soli koje nastaje lokalnim pregrijavanjem te se ne može u potpunosti isključiti. [1] Slika 5.4. Vertikalni cilindrični prijemnik koristi rastaljenu sol kao medij za prijenos topline. 55
    • 5.3.3. Otvoreni zračni prijemnik Koncentrirana solarna radijacija pada na apsorberski materijal koji se sastoji od čelične žice ili porozne keramike. Takve prijemnike karakterizira visoki omjer apsorberske površine i puta zraka koji je medij za prijenos topline. Ambijentalni zrak se usisava ventilatorom i prodire kroz ozračenu čeličnu žicu ili poroznu keramiku (Slika 5.5.). Zrak apsorbira toplinu s apsorberske površine koja je obasjana poljem heliostata. Ulazući zrak preuzimanjem topline hladi apsorbersku površinu. Zbog učinka hlađenja apsorberska površina obasjana sunčevim zračenjem je hladnija od unutrašnjosti apsorberske površine kojoj se toplina prenosi protokom vrućeg zraka. Stoga zrak napuštajući apsorber pokazuje veću temperaturu u odnosu na temperaturu apsorberske površine ozračenu sunčevim zračenjem, te razlog zašto ova vrsta prijemnika predstavlja relativno niske toplinske gubitke. Elektrana s otvorenim zračnim prijemnikom radi pri ambijentalnom tlaku. Karakteristika zraka je mali toplinski kapacitet te su potrebne velike količine zraka i površine apsorbera. [1] Zrak kao medij za prijenos topline ima prednosti poput netoksičnosti, nehrđa, nezapaljiv, lako dostupnan i lako se rukuje. Nedostatak je niski toplinski kapacitet te zahtijeva veliku površinu za prijenos topline koja je izvediva s obujmom prijemnika. Zrak zbog svoje male mase osigurava glatko pokretanje postrojenja. Slika 5.5. Otvoreni zračni prijemnik prema principu Phoebus. 56
    • 5.3.4. Zatvoreni (stlačeni) zračni prijemnik Prijemnici solarnih toranjeva mogu biti dizajnirani kao zatvoreni (stlačeni zračni) prijemnik. Otvor blende kod takvih prijemnika je zatvoren sigurnosnim quartznim prozorom, tako da radni medij (zrak) se može zagrijati i stlačiti te može biti izravno prebačen u komoru za izgaranje plinske turbine. Do danas, testirana je skupina zatvorenih zračnih prijamnika toplinskog kapaciteta do 1 MW na 15 bara. Temperatura dobivenog izlaznog zraka je malo iznad 1000 °C. [1] 5.4. Izgrađeni solarni tornjevi Prema radnom mediju za prijenos topline, različiti koncepti sustava se primjenjuju. Kako otvoreni ili šuplji cilindrični prijemnici dostižu radne temperature od 500 do 550 °C oni uglavnom primjenjuju rankineov kružni proces vodene pare. Para se generira izravno u prijemniku ili sekundarnim krugom rastaljene soli. [1] Vrući zrak od oko 700 °C nastaje otvorenim zračnim prijemnikom koji se mogu koristiti unutar postojećih generatora pare. Ulazna temperatura može biti konstantno održavana ugrađenim plamenikom na prirodni plin (duct burner), tako da je ovaj koncept posebno pogodan za hibridizaciju. Izlazni ispuh/zrak se ponovno prenosi na prijemnik pomoću ventilatora tako da do 60% zraka ponovno cirkulira. [1] Druga mogućnost je tzv. inverzni proces plinske turbine. Unutar takvog ciklusa otvoreni zračni prijemnik upuhuje vrući zrak izravno u plinsku turbinu gdje ekspandira. Jedna od prednosti u odnosu na parni ciklus je puno jednostavniji dizajn. No, do sada takvi ciklusi su analizirani samo teoretski. [1] Solar One je solarni toranj snage 10 MWe, sastojao se od 1818 heliostata svaki 40 m2 koji je bio operativan od 1982-1988 u Kalifornijskoj pustinji Mojave. Ova elektrana je dokazala opću isplativost solarne energije na megavatnoj skali. Voda je služila kao medij za prijenos topline u prijemniku. Među ostalim poteškoćama, elektrana je pokazala problem održavanja operacije pri prolasku oblaka. Slika 5.6. prikazuje karakteristiku proizvodnje električne energije u ovisnosti o direktnom zračenju. Prema slici 5.6. je vidljivo da s povećanjem direktnog zračenja približno 57
    • linearno raste proizvedena energija. Prag od kojeg elektrana proizvodi energiju određen je tehnologijom cilindričnog prijemnika na vodu. Prag se može spustiti pomoću prijemnika na rastaljenu sol i otvorenim zračnim prijamnikom. Slika 5.6. Karakteristika solarnog tornja Solar One u Kaliforniji snage 10 MWe. S ciljem rješavanja problema koji su se javljali sa solarnim tornjem Solar One potonji je remodeliran u Solar Two postrojenje. Kao medij za prijenos topline i toplinski spremnik korištena je rastaljena sol koja se sastoji od 40% kalija (K) i 60% natrijevog nitrata (NaNO3). Zahvaljujući korištenju dodatnog toplinskog spremnika energije (107 MWh) sustav je neovisniji o dostupnom sunčevom zračenju. Funkcionalna shema solarnog tornja Solar Two je prikazana na slici 5.7.. Sol se pumpa iz "hladnog" spremnika soli u prijemnik na tornju gdje se zagrijava reflektiranim sunčevim zračenjem na temperaturu oko 565 °C. Nakon toga, sol dospjeva u "vrući" spremnik topline, te se vruća sol uzima po potrebi iz skladišta i pumpa u generator pare koji toplinu rastaljene soli predaje vodi. Voda se u generatoru pare pretvara u paru za pogon konvencionalne parne turbine. Ekspandirana para kondenzira, te se pumpa u generator pare čime se zatvara rankineov kružni proces pare. Sol se hladi unutar generatora pare na temperaturu oko 58
    • 290 °C te ponovno dospjeva u "hladni" spremnik topline čime je zatvoren kružni proces rastaljene soli. [1] Slika 5.7. Funkcionalna shema Solar Two elektrane sa spremnikom topline na rastopljenu sol. Koncept omogućuje proizvodnju energije ne samo danju, nego i tijekom cijelog dana, pod uvjetom dovoljno velikog spremnika energije i polja heliostata. Solar Two omogućuje proizvodnju električne energije snage 10 MW koji može zadržati do tri sata nakon zalaska Sunca zahvaljujući spremniku toplinske energije. Phoebus/TSA/Solair je koncept elektrane s otvorenim zračnim prijemnik koji osigurava vrući zrak. Vrući zrak prolazi kroz generator pare koji proizvodi pregrijanu paru za pogon turbine. Slika. 5.8. prikazuje odgovarajući shematski dijagram. [1] 59
    • Slika 5.8. Shematski prikaz Phoebusa s otvorenim zračnim prijemnikom. Spaljivanjem prirodnog plina u cijevnom plameniku (duct burner) smješten između prijemnika i parnog generatora dodaje zraku toplinu ako sunčevo zračenje nije dovoljno za opskrbu željene količine pare. Phoebus postrojenje tako može ne samo generirati snagu u vrijeme sunčanih sati nego i tijekom lošeg vremena ili tijekom noći. Električna energija ne ovisi isključivo o raspoloživom sunčevom zračenju. Od 1993. do 1997. opremljen otvorenim zračnim prijemnikom i toplinskim spremnikom 3 MW kontinuirano je operativan, sadrži sve komponente budućeg Phoebus elektrane (tzv. TSA sustav (Technology Program Solar Air Receiver)). Rezultati ispitivanja takvog sustava pokazali su dobru interakciju komponenti i nisku toplinsku inerciju koja omogućuje brzo pokretanje elektrane. Daljnje prednosti ovog tehnološkog pristupa su jednostavna struktura i neproblematičan zrak kao medij prijenosa topline. [1] Zbog dobrih iskustva s Phoebus/TSA/Solair sustavom Europski konzorcij na čelu Španjolske tvrtke, planira izgradnju i pogon 10 MW postrojenja pod nazivom PS 10. Opremljenu otvorenim zračnim prijemnikom na jugozapadu Španjolske 2004. Međutim, koncept je promijenjen. Elektrana je sada opremljena cilindričnim prijemnikom na zasićenu paru koji proizvodi paru tlaka 40 bar i 250 °C. 60
    • Sjeverno polje heliostata podignuto je 2005. - 2006. g. koje se sastoji od 624 ravnih heliostata (T tip) "Sanlúcar 120" s površinom zrcala 121 m2. Prijemnik je montiran na toranj približne visine 100 m, koji se sastoji od četiri 5 × 12 m cijevnih panela. Ugrađeni toplinski spremnik ima korisnu toplinsku energiju od 20 MWh koji dopušta 30 minuta rada na 70% opterećenja. Solarna elektrana Tres se temelji na prikupljenom znanju tijekom izgradnje i rada Solar Two elektrane te razlog naziva projekta "Solar Tres" što je španjolski prijevod za "Solar Three". Ovaj solarni toranj opremljen je cilindričnim prijemnikom na rastaljenu sol i generatorom snage 15 MW isključivo namijenjena pogonu na solarno zračenje. Sjeverno polje heliostata ima 2494 heliostata svaki površine 96 m2. Korišteni su ravni heliostati (T tip) opremljeni visoko reflektirajućim zrcalima pojednostavljenog dizajna (solarni množitelj 3). Planirano je da prijemnik ima toplinski kapacitet 120 MW i spremnik topline 600 MWh koji omogućava 16 h rad elektrane bez sunčeva zračenja. [1] Sierra SunTower zauzima oko 8 hektara (20 jutara) u sušnoj dolini na zapadnom dijelu pustinje Mojave na 35° sjeverne geografske širine. Nalazi se na privatnom poljoprivrednom zemljištu, te ima 5 MW instalirane električne snage (Slika 5.9.). Slika 5.9. Solarni toranj Sierra SunTower 5 MWe. 61
    • Sastoji se od 24.000 heliostata, podijeljenih na četiri podpodručja koji prate Sunce i reflektiraju solarno zračenje u prijemnik na vrhu šezdesetmetarskog tornja. Svaki heliostat je površine 1m2, koji su upravljani pomoću kamera (Slika 5.10.) te odgovarajućeg programa (software). Prijemnik proizvodi paru temperature 440 °C i tlaka 60 bara. Sierra SunTower je dizajniran za provjeru eSolar tehnologije koja je u najvećoj mjeri bazirana na smanjenje investicija. To je postignuto heliostatima koji su male visine, čime se izbjegavaju velika opterećenja vjetra. Konstrukcija je lakša, nisu potrebni veliki kranovi i nije potrebno graditi temelje. Cijelo heliostatsko polje se proizvodi u tvornici, čime se smanjuju troškovi proizvodnje. Cijela konstrukcija se sastavlja na mjestu buduće elektrane samo uz pomoć ručnog alata, što dovoljno govori o brzini i lakoći gradnje. Slika 5.10. Sustav upravljanja heliostatima pomoću kamera i programa. 62
    • 6. PARABOLIČNI TANJUR Sustavi paraboličnih tanjura sastoje se od parabolično oblikovanog koncentratora (tanjura), solarnog prijamnika i najčešće Stirlingovog motora ili mikro turbine povezanog s generatorom. Parabolični koncentrator prati Sunce u dvije osi tako da reflektira izravno sunčevo zračenje na prijemnik pozicioniran u fokusu koncentratora. Energija zračenja pretvara se u toplinu unutar prijemnika te prenosi na Stirlingov motor koji pretvara toplinsku energiju u mehaničku energiju. Vratilo Stirlingovog motora izravno je spojeno na električni generator koji pretvara mehaničku energiju u željenu električnu energiju (Slika 6.1.). Za hibridni pogon, sustav se može zagrijavati paralelno ili uz pomoć plinskog plamenika na prirodni plin ili bioplin. Slika 6.1. Parabolični tanjur. 63
    • Ovakav dizajn eliminira potrebni medij za prijenos topline i vodu za hlađenje. Parabolični tanjuri nude najveću učinkovitost pretvorbe solarne u električnu energiju u usporedbi s ostalim izvedbama koncentrirajućih solarnih elektrana. Parabolični tanjuri su ograničeni veličinom (obično nekoliko desetaka kW), a svaki proizvodi električnu energiju samostalno, što znači da su stotine ili tisuće njih trebno za stvaranje velikih postrojenja. [1] 6.1. Parabolični koncentrator (tanjur) Parabolični oblik konkavnog zrcala (tanjura) koncentrira sunčevo zračenje u žarišnu točku. Veličina točke ovisi o preciznosti koncentratora odnosno stanju površine i žarišnoj udaljenosti. Korišteni koncentratori promjera su maksimalno 25 metara te postižu faktor koncentracije između 1500 i 4000x što predstavlja izazov kod realizacije zbog visoke cijene. S obzirom na dizajn koncentratora razlikujemo višedjelni (facetted) parabolični tanjur koji se sastoji od pojedinih segmenata i jednodjelni parabolični tanjur (full-surface). Višedjelni koncentratori (Slika 6.2. lijevo) se sastoje od nekoliko zrcalnih segmenata montiranih na nosivu strukturu. Svaki segment je individualno orijentiran. Zrcalni segmenti mogu se sastojati od klasičih zrcala ili materijala prekrivenog reflektirajućom folijom. [1] Jednodjelni koncentrator je parablično oblikovana cijela površina koncentratora za vrijeme procesa nastajanja (Slika 6.2. desno). Kao i kod membranskih heliostata metalna membrana ili plastična folija se pričvrsti na obje strane metalnog prstena. Nakon toga membrana se pretvara pomoću tlaka (vakuum) ili mehaničkom silom u željeni parabolični oblik. Takve lagane metalne membrane osiguravaju potpunu površinsku koncentraciju s visokom optičkom kvalitetom. [1] 64
    • Slika 6.2. Višedjelni (lijevi) i jednodjelni (desni) parabolični tanjur. 6.2. Prijemnik Prijemnik apsorbira reflektirano sunčevo zračenje koncentratora i pretvara ga u tehnički korisnu toplinu. Za sustave koji izravno zagrijavaju radni medij, radna temperatura varira između 600 i 850 °C, a tlak između 40 i 200 bara. Najviša temperatura sustava javljaja se na prijemniku. Intenzivna distribucija koncentriranog zračenja u žarišnoj točki ne može u potpunosti biti homogena zbog neizbježnih zrcalnih pogrešaka. To je razlog velikih temteraturnih gradijenata koji se mogu pojaviti na površini apsorbera. Od mnoštva raspoloživih tehnoloških izvedbi prijamnika dva su opisana. 6.2.1. Cjevasti prijemnik Cjevasti prijemnik je najjednostavniji tip solarnog prijamnika, direktno grijan koncentriranim zračenjem te pogodan za rad sa stirlingovim motorom (Slika 6.3. lijevo). Radni medij za prijenos topline protječe kroz apsorberske cijevčice koja pogoni Stirlingov motor. Oblik prijemnika mora geometrijski stati na površinu žarišne točke stvorenu koncentratorom. [1] 65
    • Slika 6.3. Prijemnici za parabolični tanjur, cjevasti (lijevo) cjevni (desno). 6.2.2. Cjevni prijemnik Cjevni prijemnik kao medij za prijenos topline koristi natrij (Slika 6.4. desno) po principu promjene stanja. Budući da ovaj medij za prijenos topline prolazi kroz cikluse isparavanja i kondenzacije, latentna toplina isparavanja se prenosi s ozračene površine apsorbera na grijač, a s njega na radni medij Stirlingovog motora, dok temperatura ostaje gotovo konstantna. Nakon toga, kondenzat se transportira (vraća) u grijanu zonu kapilarnom strukturom. Zbog ovakvog principa rada konstrukcija zahtijeva velike tehničke napore pri proizvodnji. Iako kompliciran, ovaj koncept nudi prednost da visoke temperature ili ekstremno različite gustoće toka topline mogu biti homogeno transpontirane na grijač Stirlingovog motora zahvaljujući dobrom prijenosu topline. Cjevni prijemnik topline može se lako kombinirati s drugim izvorima topline, tj. uz sunčevo zračenje može koristiti tekuća ili plinovita goriva (fosilna ili biomasu). [1] Cjevni prijemnici su najčešće napravljeni kao šuplji prijemnici. Koncentrirano zračenje prolazi kroz male otvore i pada na šupljine. Stvarna apsorberska površina koja je predmet porasta temperature zbog upadnog zračenja, pozicionirana je iza žarišne točke. Zbog geometrijskog položaja apsorberska površina je veća od otvora te se intenzitet zračenja koji djeluje na prijemnik smanjuje. S obzirom na šuplji prijemnik gubici topline su niski jer samo mali dio difuznog zračenja emitiranog iz apsorbera izlazi kroz otvore. [1] 66
    • 6.3. Stirlingov motor Toplinska energija osigurana koncentriranim sunčevim zračenjem može se pretvoriti u električnu energiju pomoću Stirlingovog motora spojenog na generator. Stirlingov motor pripada skupini vrućih plinskih strojeva i koristiti zatvoreni sustav, tj. unutar radnog ciklusa uvijek se koristi isti radni plin. Suprotno Ottovom ili dizelskom motoru, energija se osigurava vanjskom opskrbom toplinske energije, tako da su pogodni za korištenje na paraboličnom tanjuru. Osnovne komponente sustava čine grijani radni cilindar, hlađeni kompresijski cilindar i regenerator koji služi za pohranu energije između faza. U većini slučajeva, regenerator je vrlo porozno tijelo visokog toplinskog kapaciteta te ima znatno veću masu od mase plina koji protječe kroz tijelo. Ako se unutar regeneratora vrši potpuniji izmjenični prijenos topline, veća je temperaturna razlika između radnog i kompresijskog cilindra, a time i veća učinkovitost Stirlingovog motora. Proces se odvija u četiri koraka, a izvodi se pomoću dva klipa, od kojih je jedan radni klip, a drugi služi samo kao potiskivač. Proces se odvija između dvije izoterme i dvije izohore. Primjenom regeneratora topline, stupanj djelovanja procesa izjednačava se sa stupnjem djelovanja Carnotovog procesa (najviši mogući termički stupanj djelovanja). [1] Zatvoreni kružni proces iziskuje topli i hladni prostor, u kojemu se pri početku procesa nalazi sav radni medij. Za tehničku realizaciju kompresijski klip se pomiče prema zatvorenom dijelu, tako da ohlađeni radni plin struji prema toploj komori, prolazeći kroz regenerator. Regenerator prenosi prethodno apsorbiranu toplinu radnog plina (Slika 6.4. faza izohornog zagrijavanja (1)). Plin se zagrijava na temperaturu tople komore dok se regenerator hladi na temperaturu hladne komore. Nakon toga, radni plin se unutar tople komore širi izotermno i apsorbira toplinu iz toplog prostora (Slika 6.4. izotermna faza ekspanzije (2)). Radni plin se širi i pokreće radni klip prema otvorenoj strani i obavlja rad. Radni klip prolazi donju mrtvu točku te se pomiče prema zatvorenom dijelu, vrući radni plin je prisiljen proći kroz regenerator i prelazi u hladnu komoru. Toplina se prenosi izohorno s radnog plina na regenerator (Slika 6.4. izohorna faza hlađenja (3)). Plin se hladi na temperaturu hladne komore dok se regenerator zagrijava na temperaturu tople komore. Radni plin je izotermno kompresiran i prenosi generiranu toplinu na hladnu komoru (Slika 6.4. faza izotermne kompresije (4)). [1] 67
    • Slika 6.4. Princip rada Sterlingovog motora. Strojevi koji se primjenjuju za parabolične tanjure kao radni plin koristite helij ili vodik na temperaturi između 600 i 850 °C. Izlazna snaga Stirlingovog motora kontrolirana je radnim tlakom plina. 68
    • 6.4. Izgrađeni parabolični tanjuri Zbog njihove veličine i prostonih zahtjeva pojedini sustavi paraboličnih tanjura pogodni su za napajanje malih i srednjih mreža. Kada su u kombinaciji s baterijama i/ili dodatnim izvorima na fosilna goriva ili biomasu, prikladni su za opskrbu energije u ruralnim sredinama. U tom smislu moraju se natjecati s mnoštvom drugih obnovljivih izvora, aktualna zbivanja su koncentrirana na automatski rad i rezanje cijene troškova. Parabolične protočne elektrane mogu pružiti veće količine topline i energije. Najveći park je izgrađen 1984. u Kaliforniji, a sastojao se od 700 pojedinačnih kolektora i centralnog toplinskog motora ukupne električne snage gotovo 5 MW. [1] Marciopa Solar izgrađena je u Peoriji, Arizona(Slika 6.5.). Sastoji se od 60 solarnih tanjura svaki snage 25 kW. Za pretvorbu topline u električnu energiju koristi stirlingov motor, te doseže maksimalnu efikasnost do 31%. Kako stirlingov motor posjeduje puno pokretnih dijelova smatra se nepouzdan, te zahtijeva puno održavanja, čime se povećava cijena. Slika 6.5. Solarna elektrana Marciopa Solar snage 1.5 MW. 69
    • 7. SOLARNI DIMNJAK I SOLARNI BAZEN 7.1. Solarni dimnjak Solarni dimnjak ili solarna uzgonska elektrana se sastoji od tri osnovna elementa staklenog krovnog kolektora u kojemu se zrak zagrijava, dimnjaka kroz koji se uzdiže zagrijani zrak i vjertoturbine koju pogoni tok zraka. Solarni dimnjak temelji se na efektu dimnjaka koji je prikazan na slici 7.1. izravno i difuzno sunčevo zračenje zagrijava zrak ispod kružnog staklenog krova koji je otvoren na obodu i u kombinaciji s tlom čini zračni kolektor. Sredina krova je opremljena vertikalnim dimnjakom s velikim otvorima za dovod zraka. Budući da je topli zrak je manje gustoće od hladnog zraka, on se uzdiže prema vrhu dimnjaka. Sunčevo zračenje osigurava kontinuirani tok zraka unutar dimnjaka. Energija sadržana u protoku zraka može se pretvoriti u mehaničku energiju pomoću vjetroturbine koja se nalazi na dnu dimnjaka. Na kraju se mehanička energija pretvara u električnu energiju pomoću generatora. Slika 7.1. Princip rada solarnog dimnjaka (solar chimney). 70
    • Solarni kolektori su u suštini građevine nalik na staklenik u kojima se zagrijava zrak odnosno voda toplinom sunčevog zračenja. Topli zrak se zbog efekta dimnjaka diže te prolazi preko turbina, proizvodeći električnu energiju, te odlazi u dimnjak. Glavni parametri koji određuju veličinu ove vrste elektrane su površina kolektora, te visina dimnjaka. Veća površina kolektora omogućuje većoj količini zraka da se zagrije i struji preko vjetroturbina, dok viši dimnjak omogućuje veću razliku tlaka i efikasniji efekt dimnjaka. Uravnoteženje električne proizvodnje takve elektrane moglo bi biti potrebno kako bi se omogućilo jednostavniju integraciju unutar elektroenergetskog sustava što je moguće ugradnjom toplinskog spremnika solarne energije. Kako bi elektrana mogla proizvoditi energiju i tijekom noćnih sati, moguće je u kolektore ugraditi crne cijevi ili torbe (spremnike) pune vode koji su smješteni na dnu solarnog dimnjaka te služe kao međuspremnik. Tijekom dana voda se zagrijava unutar tih elemenata za pohranu toplinske energije, a pohranjena energija iskorištava se tijekom noći. Kako voda ima vrlo visoki toplinski kapacitet idealna je za pohranu toplinske energije koju oslobađa u noćnim satima te na taj način omogućava neprekidni rad elektrane i u noćnim satima, iako s manjim kapacitetom. Solarna urgonska elektrana (solarni dimnjak) je vrsta još uvijek nedovoljno testirane i istražene varijante solarnih elektrana. Njezina trenutna upitna ekonomska isplativost uskoro bi se mogla promijeniti zbog sve viših cijena fosilnih goriva, za što već postoje naznake u dijelovima svijeta sa velikim brojem sunčanih dana. 7.1.1. Kolektor Vrući zrak potreban za rad solarnog dimnjaka je stvoren je jednostavanim zračnim kolektorom. Potonji se sastoji od prozirnog staklenog ili plastičnog krova horizontalno postavljenog koji se nalazi oko dva do šest metara iznad tla (Slika 7.2.). 71
    • Slika 7.2. Varijante solarnog kolektora pogodnih za Solarni dimnjak. Prozirni krov propušta sunčevo zračenje, ali je nepropustan za dugovalno toplinsko zračenje emitirano iz prostora ispod kolektora koji se zagrijava na Suncu. To je razlog zašto se prostor ispod krova snažno zagrijava i prenosi toplinu na zrak koji teče radijalno izvana prema dimnjaku. [1] Visina kolektora u odnosu na tlo povećava se prema tornju. Prema tome, brzina protoka zraka se ne povećava previše, tako da gubici uslijed trenja ostaju niski. Osim toga gubici tijekom promjene smjera kretanja zraka iz horizontalnog u vertikalni smjer su svedeni na minimum. [1] 7.1.2. Spremnik topline Ako je manje izražena vršna potrošnja električne energije u rano poslijepodne, a predviđena je viša proizvodnja električne energije u večernjim satima, solarna energija može se pohraniti u toplinskom spremniku. U tu svrhu mogu se koristiti vodom ispunjena crijeva ili jastuci koji postavljeni na dnu kolektora mogu znatno povećati već postojeću prirodnu sposobnost termoakumulacije tla. Budući da već pri vrlo niskim brzinama protoka vode, zbog prirodne konvekcije unutar crijeva, prijenos topline između crijeva i vode je znatno veći nego između solarnog zračenja i površine zemlje ispod kolektora, te zbog toplinskog kapaciteta vode koji je oko pet puta veći od tla, voda unutar crijeva sprema dio sunčevog zračenja. Toplina se oslobađa samo tijekom noći, kada je temperatura zraka u unutrašnjosti kolektora ispod 72
    • temperature vode unutar crijeva. Crijeva su samo jednom ispunjena vodom te se zapečate, tako da voda ne ispari. Ovisno o željenom učinsku količina vode unutar crijeva treba odgovarati prosječnoj dubini vode ispod kolektora od 5 do 20 cm (slika 7.3.). [1] Slika 7.3. Utjecaj spremnika topline smještenog ispod staklenog kolektora, na kronološki slijed isporuke snage (rezultati simulacije). 7.1.3. Dimnjak Uzgon zagrijanog zraka unutar kolektora je proporcionalan porastu temperature zraka unutar kolektora i visine dimnjaka. Na primjer, u slučaju velikog solarnog dimnjaka ambijentalna temperatura zraka obično je povećana za 35 K, tako da je brzina protoka zraka od oko 15 m/s stvorena unutar dimnjaka. Tehnički gledano, solarni dimnjak je vrlo veliki atmosferski rashladni toranj. Dimnjak visine 1000 m predstavlja velik izazov, što se u današnje vrijeme dobro kontrolira. Na primjer, zgrada Burj Dubai je visine preko 800 m. Za solarni dimnjak potreban je jednostavni šuplji cilindar i zahtjevi su znatno niži u odnosu na stambene zgrade. Takav dimnjak može biti izgrađen korištenjem različitih tehnologija poput samostojećih armiranobetonskih 73
    • cijevi, čeličnih cijevi ili navodećih tornjeva s oblogom od lima ili membrane. Istraživanja su pokazala da gotovo svi smatraju da armirani beton predstavlja najviše izdržljivu i isplativu opsiju. Za takav toranj visine 1000 m debljina zida je nešto iznad 1 m pri dnu. Debljina bi se smanjila na oko 0,3 m na polovici visine i ostaju nepromijenjene do vrha. Ipak, takvi tanki tuneli su deformirani uslijed opterećenja vjetra na ovalni presjek. To osobito vrijedi za usisavanje na bokovima prikazanim na slici 7.4.. Uzdužni pritisak postaje vrlo visok tako da je krutost smanjena zbog pucanja a tu je i opasnost od izvijanja. Ovalizacija se učinkovito može izbjeći snopovima niti u obliku krakova kotača rastegnutim preko presjeka tornja. Oni imaju isti učinak kao i ukrućene membrane, ali minimalno smanjuju uzgon. Slika 7.4. Distribucija tlaka i podtlaka za tok oko cilndra (cp – koeficijent tlaka). 7.1.4. Turbine Turbine koje se koriste za solarni dimnjak nisu kao lopatice vjetroelektrana koje iskorištavaju brzinu protoka zraka nego rade na principu iskorištavanja statičkog tlaka, slično turbini hidroelektrane. Ostvariva učinkovitosti time je veća od turbina za pogon vjetroelektrana. 74
    • Brzina zraka ispred i iza turbine je gotovo ista. Proizvedena snaga je proporcionalna umnošku količine protoka i pada tlaka na turbini. Kontrola turbine ima za cilj maksimiziranje proizvodnje u svim uvjetima rada. Pad tlaka, a time i brzina protoka i protok zraka unutar postrojenja se kontrolira mehanizmom prilagodbe lopatica turbine. Ako su lopatice okomite na protok zraka, nema proizvodnje električne energije, a ako su u smjeru protoka zraka, pad tlaka na turbini jednak je nuli, također nema proizvodnje energije. Optimalni položaj lopatica je između tih dviju pozicija. Za dizajn turbine, mogu se koristiti iskustva prikupljena u projektiranju turbina hidroelektrana, vjetroturbina i zračnih tunela. Vertikalna os turbina čini se kao najpogodnije rješenje, iako se može koristiti veći broj horizontalnih osi turbina postavljenim koncentrično između kolektora i dimnjaka. [1] 7.1.5. Prednosti i nedostaci Kako za svoj rad ne koristi nijednu vrstu fosilnih goriva, emisija CO2 je gotovo jednaka nuli. Značajne količine ugljičnog dioksida (CO2) se ispuštaju jedino prilikom proizvodnje i gradnje postrojenja (ugljični otisak). Nedostatak ovog tipa postrojenja je izuzetno velika površina koju zauzimaju kolektori te se procjenjuje da bi za postrojenje od 200 MW bilo potrebno 38 km2 kolektora. Kako površina staklenika ne bi bila potpuno izgubljeni prostor, može se u staklenicima posaditi prikladno bilje ili se može iskoristi već prije uništeno i neupotrebljivo tlo. Prednost ovog tipa postrojenja je što bi mogao električnom energijom napajati male i zabačene regije zemalja u razvoju, uz minimalne troškove investicije i održavanja, te bi omogućio zapošljavanje manjeg broja ljudi. Ova vrsta postrojenja ima izuzetno malu učinkovitost. Predviđa se da kolektori od 38 km2 mogu dobiti tek 0,5 posto (oko 5 W/m2) od sveukupnog sunčevog zračenja koje padne na njih, dok za primjer, postrojenja bazirana na koncentrirajućim solarnim elektranama ili fotonaponske elektrane imaju iskoristivost od 5 do 40 %. [6] 75
    • 7.1.6. Prošli i budući projekti U Španjolskoj je 1982. godine napravljen prvi eksperimentalni solarni dimnjak (Slika 7.5.), koji je iako izrađen od jeftinih materijala te s predviđenim radnim vijekom od svega 3 godine, bilo u funkciji punih 8 godina. Cilj ovog eksperimentalnog postrojenja nije bio prvenstveno proizvodnja energije nego utvrditi najbolje i najjeftinije materijale za izgradnju ovakvog tipa postrojenja u zemljama trećeg svijeta. Također, rezultati dobiveni ovim eksperimentom korišteni su prilikom razvoja ovog tipa postrojenja u budućim projektima. Ovaj istraživački projekt je usmjeren na provjeru teorijskih pristupa i procjenu utjecaja pojedinih komponenti na sposobnost proizvodnje električne energije i učinkovitost elektrane pod realnim tehničkim i meteorološkim uvjetima. 7.5. Solarna uzgonska elektrana (solarni dimnjak) Španjolska 1982. 76
    • Za tu svrhu izgrađen je dimnjak visine 195 metara i promjera 10 metara okružen kolektorima promjera 240 m. Dimnjak se sastoji od navodeće cijevi trapeznih limova debljine 1.25 mm. Cijev je poduprta prstenom 10 m iznad tla kojeg nosi osam tankih cjevastih stupova, tako da topli zrak može teći neometano u dimnjak. Prijelaz između kolektora i dimnjaka riješen je rastegnutom membranom od plastike presvučenom s tkaninom. Za kolektor su odabrane razne vrste plastike i stakla kako bi se utvrdilo što je najbolje i na duži rok najisplativiji materijal. Utvrđeno je da je staklo u stanju izdržati čak i veće oluje tijekom godina bez oštećenja te je dokazano samočišćenje stakla povremenim prolom oblaka. Površina plastičnih kolektora je 40 000 m2, a staklenih kolektora 6 000 m2. Korištena vjetroturbina posjeduje četiri lopatice te je nazivne snage 50 kW. [1] Završetak izgradnje 1982. godine uslijedila je eksperimentalna faza, čija je svrha bila pokazati operativni princip solarnog dimnjaka. Ciljevi ove faze projekta bili su dobivanje podataka o učinkovitosti korištene tehnologije, prikaz potpuno automatskog operativnog rada elektrane s visokim stupnjem pouzdanosti te snimanje i analiza operativnog ponašanja elektrane i fizičke odnose na temelju dugoročnih mjerenja. Slika. 7.6. prikazuje odabrane operativne podatke za tipičan dan iz solrnog dimnjaka u Španjolskoj. Podaci jasno pokazuju da za elektranu bez toplinskog spremnika proizvodnja električne energije tijekom dana usko korelira sa sunčevim zračenjem. Ipak, postoji određeni uzgon koji se može iskoristiti za proizvodnju električne energije čak i tijekom nekih noćnih sati. 1987. godine elektrana je radila ukupno 3.197 sati, a to se odnosi na srednje dnevno operativno vrijeme od 8,8 h. To je postignuto potpuno automatiziranim upravljanjem postrojenja koji osigurava automatsko pokretanje postrojenja i sinkronizaciju s električnom mrežom nakon što brzina protoka prekorači određenu vrijednost (obično 2,5 m/s). Unatoč pozitivnim rezultatima poslovanja potvrđenim izračunatim podacima testirana elektrana u potpunosti je demontirana nakon oluje 1989. zbog problema s vrtloženjima. [1] 77
    • Slika 7.6. Izlazna snaga i brzina protoka zraka u ovisnosti o ukupnom zračenju tijekom dana za solarni dimnjak PS10 (mjerni podaci 8.6.1987.). U mjestu Jinshawan, Kina, je uz investiciju od 208 milijuna američkih dolara 2010. godine puštena u pogon 200 kW elektrana, čiji se kapacitet planira povećati na 27 MW, a čiji bi kolektori pokrivali površinu od oko 2,8 km2. Kolektori će pridonijeti i poboljšanju lokalne klime, prekrivajući pijesak i sprečavajući pješčane oluje. Budućnost ovog tipa postrojenja zasad je vrlo nesigurna iako postoje neki planovi o izgradnji u zemljama s velikim brojem sunčanih i toplih dana (Australija, Namibija). U međuvremenu izgrađeni još poneki manji eksperimentalni objekti (Bocvana, Turska) manje snage čiji rezultati nisu poznati široj znanstvenoj zajednici. Prema zadnjim saznanjima, stručnjaci na Fakultetu elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu, su 2009. godine proveli numeričko modeliranje koje je ukazalo na mogućnost daljnjih poboljšanja postojeće tehnologije. Osim ovog primjera, hrvatska javnost do sada nije čula ni za jedan domaći pilot projekt ovog tipa elektrane. 78
    • 7.2. Solarni bazen Solarni bazeni su elektrane koje koriste princip raslojavanja vode kao osnovu kolektora. Kao kolektor i spremnik topline koristi se bazen ispunjen smjesom vode i soli. Voda na dnu solarnog bazena služi kao primarni toplinski spremnik iz kojeg se toplina izvlači za pogon. Dublji slojevi vode i dno solarnog bazena služe kao apsorber za izravno i difuzno sunčevo zračenje. Zbog raspodjele koncentracije soli koja se povećava prema dnu bazena, gubici topline koji su uzrokovani isparavanjem, konvekcijom i zračenjem topline na površini, svedeni su na minimum. Slika 7.7. prikazuje opću strukturu solarnog bazena za proizvodnju električne energije. Približna temperatura rasola je između 80 i 90 °C, a približna stagnacija temperature na 100 °C može se koristiti s dna bazena. Zahvaljujući pogodnom termodinamičkom ORC ciklusu (Organic Rankine Cycles), toplina se može koristiti za proizvodnju električne energije. [1] Slika 7.7. Shema solarnog bazena. Snage solarnih bazena se kreću od nekoliko desetaka kilovata do nekoliko megavata izgrađeni u Izraelu, SAD-u (Texas), Australija i Indija (za proces pružanja topline). Solarna termalna učinkovitost od otprilike jedan posto je niska, sradnjeg raspona snage od 5-10 W/m2 79
    • ovisno o zračenju, udjelu soli i maksimalnoj temperaturi. Kratkoročno se može iskoristiti veći toplinski kapacitet, međutim, u tom slučaju solarni bazen bi se brže ohladio. 7.2.1. Kolektor (bazen) Kolektor može biti prirodno ili umjetno jezero, bara ili bazen koji se ponašaju kao ravni kolektori zbog različitih koncentracija soli u vodenim slojevima. Gornji sloj vode s relativno niskim udjelom soli često je prekriven s plastičnim poklopcima zbog spriječavanja valova koji mješaju slojve vode te povećavaju gubitke topline konvekcijom. Gornja zona miješanja takvih kolektora obično iznosi oko 0,5 m debljine. Susjedna prijelazna zona ima debljinu od 1 do 2 m, a donja zona za pohranu topline je 1,5-5 m debljine. [1] Ako se dublji sloj vode u bazenu grije na Suncu, topla voda se diže na površinu zbog činjenice da topla voda ima manju gustoću od hladne vode. Dio topline vode na površini odlazi u atmosferu, a dio se miješa što je razlog da u većini slučajeva, srednja temperatura vode približno je jednaka sobnoj temperaturi. U solarnom bazenu prijenos topline u atmosferu spriječava se otopljenom soli u dubljim slojevima. Dublji sloj vode je veće gustoće te iako zagrijan na dnu bazena neće se uzdići do površine čak i ako je temperatura zagrijane vode blizu točke ključanja. Koncentracija soli različitih slojeva mora se povećati s povećanjem dubine (Slika 7.8.). U prvoj fazi, to je osigurano stabilnim raslojavanjem vode. Gornji, gotovo bez soli sloj djeluje kao toplinski izolacijski poklopac koji spriječava gubitak topline toplinskog spremnika na dnu bazena. [1] Slika 7.8. Gustoća (lijevo) i temperaturni gradijent (desno) solarnog bazena. 80
    • Da bi se osiguralo stabilano raslojavanje solarnog bazena, s povećanjem dubine porast temperature ne smije prelaziti povećanje gustoće (tj. soli). To je razlog zašto se svi relevantni parametri moraju kontinuirano pratiti kako bi se moglo pravovremeno poduzeti odgovarajuće mjere poput oduzimanja topline i opskrba soli. [1] Da bi se postigla krajnja učinkovitost kolektora, velik dio sunčevog zračenja mora dosegnuti zonu apsorpcije. To se može postići samo ako su gornji slojevi dovoljno propusni. Tijekom rada solarnog bazena mora se redovito pratiti propusnost, udio soli i temperatura vode. Pravovremenim mjerenjem parametara s površine vode do dna kako bi se odredila količina topline koja se može iskoristiti iz bazena ili utvrditi mjere za održavanje odgovarajuće koncentracije soli i kvalitete vode (sprečavanje zamućenosti zbog čestica, algi i bakterija). [1] Difuzija osigurava kontinuirano izjednačavanje koncentracije soli u solarnom bazenu koja je i pojačana valovima zbog vjetra u blizini površine, te je to razlog zašto sol treba izvlačiti iz površinske vode i dodat je dubljim slojevima. Za ovu svrhu površinska voda isparava u odvojenim ravnim bazenima (isparivačima) iz kojih se sol vadi i dodaje dubljim slojevima. [1] 7.2.2. Izmjenjivač topline U osnovi, postoje dvije metode za izvlačenje topline iz solarnog bazena. Radni medij termičkog motora zagrijava se protjecanjem kroz snop cijevi izmjenjivača topline smještenih u toplinskom spremniku odnosno pri dnu solarnog bazena. Vruća slanica može se pumpati iz sloja toplinskog spremnika putem ulaznog difuzora koja u izmjenjivaču topline predaje toplinu radnom mediju termičkog motora. Ohlađena slanica se vraća u područje veće dubine solarnog bazena posredstvom drugog difuzora. Ovakav tehnički pristup omogućuje podešavanje položaja usisnog difuzora na dubinu s najvišom temperaturom te su gubici topline na dnu bazena smanjeni jer se ohlađena voda reciklira u blizini dna bazena. [1] Kvalitetno dimenzioniran izmjenjivač topline neophodan je za uspješan rad solarnog bazena, pogotovo u vrijeme intenzivnog zračenja (u podne) kad se mora osigurati da toplina 81
    • može sigurno biti povučena iz bazena kako bi se spriječilo fazne promjene i napravilo nestabilno raslojavanje vode. [1] 7.2.3. Termički motor Za pretvaranje solarne toplinske energije u mehaničku, a potom u električnu energiju, obično se primjenjuje organski rankineov proces. To je u osnovi parni ciklus koji koristi nisko ključanje vode, uglavnom organski ciklus tekućine. Takv proces dopušta proizvodnju električne energije na niskim temperaturnim razlikama. [1] 7.2.4. Izgrađeni solarni bazeni Slika 7.9. prikazije solarni bazen izgrađen 1986. u El Pasu (Texas) je prvi solarni bazen za proizvodnju električne energije, snage 70 kWel, s površinom od 3.350 m2 i dubine 3,2 metara. Ribnjak koristi vodenu otopinu s natrijevim kloridom (NaCl). Dubina površinskog sloja iznosi 0,6 m, srednjeg sloja 1,4 m i donjeg apsorberskog sloja 1,2 m. Od tada, El Paso solarni bazen uspješno je razvio niz tehnologija za rad i održavanje solarnih bazena. Slika 7.9. Solarni bazen u El Pasu, Texas, SAD. 82
    • Najveći operativni solarni bazen za proizvodnju električne energije bio je Beit HaArava bazen izgrađen u Izraelu te je radio do 1988, maksimalne električne snage 5 MW te prosječne snage 570 kWel. Pokrivao je površinu od 250.000 m2. Prvi solarni bazen u Indiji površine 6000 m2 izgrađen je u Bhuju. Projekt je pokrenut pod programom Nacionalnog Solarnog Bazena od strane Ministarstva nekonvencionalnih izvora energije 1987. i završen 1993. nakon duljeg napora. Solarni bazen uspješno je demonstrirao ekspeditivnost tehnologije za dobavu 80.000 litara tople vode dnevno za elektranu. Solarni bazen funkcionirao je bez napora do 2000. godine kada ga je oštetio potres, te više nije u funkciji. 83
    • 8. EKONOMSKA PERSPEKTIVA I BUDUĆI RAZVOJ 8.1. Budući razvoj [7] 8.1.1. Postojeći scenariji IEA publikacija „Energy Technology Perspektive 2008“ (ETP 2008) zaključuje da su koncentrirajuća solarna postrojenja jedana od najisplativijih tehnologija koje će smanjiti emisiju CO2. U „ETP BLUE“ scenariju, emisija CO2 nastala proizvodnjom globalne energije do 2050. su smanjene na polovicu razine iz 2005., a koncentrirajuća solarna postrojenja proizvode 2 200 TWh godišnje do 2050 iz 630 GW lokalnih kapaciteta (izvoz nije uzet u obzir). Od solarnih elektrana se očekuje da će pridonijeti s 5% godišnje svjetske proizvodnje električne energije u 2050, u ovom scenariju (Slika 8.1. plava linija). U naprednom scenariju „CSP Global Outlook 2009“, „IEA SolarPACES Programme“, „European Solar Thermal Electricity“ udruga i „Greenpeace“ procjenjuju globalni kapacitet solarnih termoelektrana do 2050. na 1 500 GW. Prognoza „SolarPACES“ vidi veliki napredak, s proizvedenom godišnjom energijom od 7800 TWh (Slika 8.1. zelena linija). U studiji „Technology Roadmap CSP“ o obnovljivim izvorima energije potencijal bliskoistočne i sjeverne Afrike, „German Aerospace Center“ procjenjuje da će do 2050. solarne termoelektrane moći osigurati oko polovice proizvodnje električne energije te regije iz ukupnog kapaciteta 390 GW (Slika 8.1. crvena linija). Prema „Technology Roadmap CSP“ predviđa se brzo širenje kapaciteta koncentrirajućih solarnih termoelektrana u zemljama ili regijama s visokim izravnim solarnim zračenjem (DNI), a povećava svoju proizvodnju električne energije kako progresivno raste postotak ukupne potrošnje prema prognozi u „IEA climatefriendly“ scenariju. U susjednim ali manje sunčanim regijama očekuje se manji doprinos električne energije iz koncentrirajućih solarnih elektrana. Solarne elektrane izgrađene prije 2020. uglavnom pokrivaju srednja i vršna opterećenja, dok se prvi set istosmjernih visokonaponskih dalekovoda (HVDC) ne izgradi, te poveže neke solarne termoelektrane u sunčaniijim područjima i velike potrošačke centre. Od 2020. do 2030., kako su troškovi smanjeni i učinkovitosti poboljšane, raspored solarnih termoelektrana ide prema pokrivanju konstantnog opterećenja, čime se pojačava smanjenje emisije CO2. Nakon 2030., dok 84
    • se nastavlja razvoj solarnih termoelektrana, solarna goriva ulaze u globalnu upotrebu. Do 2050., solarne termoelektrane zauzimaju oko 11% globalne proizvodnje električne energije. Slika 8.1. Rast proizvodnje energije iz solarnih termoelektrana prema četiri scenarija. Prema nedavnom istraživanju PriceWaterHouse Cooper, Europa i Sjeverna Afrika zajedno mogle bi do 2050. proizvesti svu svoju električnu energiju iz obnovljivih izvora, ako njihove elektroenergetske mreže budu dovoljno povezane. Dok bi sjeverna Afrika koristila 25% ukupne proizvodnje, sudjelovala bi s 40% ukupne proizvodnje energije, uglavnom iz vjetra i solarne energije. Solarne termoelektrane činile bi okosnicu izvoznih kapaciteta sjeverne Afrike u Europu. 8.1.2. Prijenos električne energije Važnog način povećanja ostvarivog potencijala koncentrirajućih solarnih termoelektrana je prijenos električne energije na velike udaljenosti. Velike zemlje poput Brazila, Kine, Indije, Južne Afrike i SAD-a (Slika 8.2.) će se dogovoriti velike dalekovode za prijenos električne energije proizveden solarnim termoelektranama. U drugim slučajevima, visokonaponski dalekovodi će prelaziti granice, otvarajući izvozna tržišta zemalja s proizvodnjom energije iz 85
    • solarnih termoelektrana i povećanje energetske sigurnosti zemalja koje uvoze. Australija može napajati Indoneziju, središnja Azija Rusiju, sjeverno Afričke zemlje i Turska snabdijevati Europsku uniju, sjeverne i južne afričke zemlje napajati ekvatorijalnu Afriku, a Meksiko pružati električnu energiju SAD-u. Slika 8.2. Vizija mogućih HVDC dalekovoda povezujući jugozapad s ostatakom SAD-a. Prijenos velikih količina električne energije iz pustinjskih područja u naseljena područja je unaprijeđen, posebno od strane „DESERTEC Foundation“ (Slika 8.3.). Ova ideja je nadahnuta dvjema inicijativama u Europi, „Mediterranean Solar Plan“ i „DESERTEC Industry Initiative“. Prvo se razvila unutar okvira Barcelonskog procesa Unija za Mediteran koja ima za cilj donijeti oko 20 GW obnovljivih izvora energije u zemlje Europske unije do 2020. iz raznih gospodarstva u razvoju. 86
    • Slika 8.3. DESERTEC koncept primijenjen na EU-MENA regije. Druga inicijativa je najavljena 2009., te poprima oblik društva s ograničenom odgovornošću, s 12 dioničara (ABB, Abengoa Solar, DESERTEC Foundation, Deutsche Bank, Schott Solar and Siemens itd.). „DESERTEC Industry Initiative“ ima za cilj uspostaviti okvir za investicije u energiju sunca i vjetra za potrebe Bliskog Istoka, sjeverne Afrike i Europe. Dugoročni cilj je zadovoljiti znatan dio energetskih potreba na Bliskom Istoku i sjevernoj Africi, te dostići 15% Europske potražnje električne energije do 2050. Izobilje sunca na Bliskom Istoku i sjevernoj Africi će dovesti do nižih troškova, te kompenzirati očekivane dodatne troškove prijenosa i gubitaka električne energije. Nadalje, trenutni poticaji u Španjolskoj ili Francuskoj za velike temeljne solarne termoelektrane u velikoj mjeri će pokriti troškove proizvodnje električne energije u sjevernoj Africi koji se procjenjuju na 150 EUR/MWh na najsunčanijim mjestima, plus prijenos do juga Europe koji se procjenjuje od 15 EUR/MWh do 45 EUR/MWh. 87
    • 8.1.3. Tehnološki putokaz koncentrirajućih solarnih termoelektrana 8.1.3.1. Implementacija do 2020. Od 2010. do 2020., očekuje se ubrzana gradnja solarnih termoelektrana na globalnoj razini zahvaljujući napretku tehnologijeije i korištenju poticaja u sunčanijim zemljama. Očekuje se napredak satelitskih algoritama za procjenu potencijala globalnog solarnog zračenja koji nude veću prostornu rezoluciju i bolje karate izravnog solarnog zračenja. Ove procjene su potvrđene od strane mnogih kvalitetnih mjernih postaja. Takve stanice su instalirane u svim zemljama i regijama s visokim interesom za solarne termoelektrane uključujući i one kojima nedostaje odgovarajuća pokrivenost, poput Kine, Indije, Turske, Afrike, Bliskog Istoka i Latinske Amerike. Tehnologije koje koriste solarne termoelektrane su razne, od pomoćih napajanja na fosilna goriva za uštedu goriva do elektrana koje koriste samo sunčevo zračenje u regijama s mnogo sunčanih dana. Građene su neke samostalne (off-grid) i udaljene (remonte-grid) solarne elektrane, ali velike mrežne (on-grid) solarne elektrane čine više od 90% ukupnog kapaciteta. Toplinski spremnici se i dalje razvijaju, ali u većini slučajeva ostaju ograničeni za nužno pokrivanje gotovo svih srednjih i vršnih opterećenja samo iz solarnih izvora. Solarne termoelektrane još nisu u potpunosti konkurentane konvencionalnim termoelektrana na ugljen za pokrivanje konstantnog opterećenja. Pomoćni sustavi obično na prirodni plin koriste se u nekim slučajevima kako bi se poboljšala učinkovitost pretvorbe solarne energije u električnu energiju. U drugim slučajevima, koriste se samo za osiguravanje kapaciteta proizvodnje tijekom dana za pokrivanje naoblake, ali i u večernjim satima ili noću. Razvijeni su visokonaponski istosmjerni dalekovodi, te izgrađeni kako bi se proizvedena električna energija prenosila iz udaljenih krajeva do potrošačkih centara. Neki dalekovodi povezuju sjevernoafričke zemlje i Europu. Ostali visokonaponski istosmjerni dalekovodi izgrađeni su u velikim zemljama poput Indije, SAD-a, Brazila, Kine kako bi mogli isporučivati velike količine solarne električne energije. 88
    • Globalni instalirani kapacitet doseže 148 GW do 2020., s prosječnim faktorom iskorištenja vršne snage 32% (2800 sati godišnje), čime se osigurava 414 TWh godišnje. Primarna energija iz fosilnih goriva u pomoćnim ili hibridnim sustavima u solarnim termoelektranama sudjeluje s 18% od gornjeg iznosa, odnosno solarni udio u proizvedenoj električnoj energiji je 82% ili 340 TWh. To iznosi 1,3% globalne proizvodnje električne energije očekivane u 2020. godini. Ograničavajući faktor za implementaciju tijekom tog razdoblja je globalni kapacitet industrije, koji se mora brzo povećati s oko 1 GW godišnje u 2010. na više od 20 GW godišnje do 2020. 8.1.3.2. Implementacija do 2030. Solarne termoelektrane će postati konkurentne konvencionalnim termoelektranama na ugljen koje pokrivaju konstantno opterećenje, čime se ubrzava smanjenje emisije CO2 oko 2020. Kako troškovi solarnog polja i spremnika topline padaju, zbog tehnologije viših temperatura (540 °C i više). Mnoge novoizgrađene solarne elektrane će imati veća solarna polja i toplinske spremnike za proizvodnju električne energije trajnog opterećenja za veći dio godine. Poticaji će nestati u većini zemalja jer nisu više potrebni kako bi se podržala izgradnja solarnih termoelektrana. Investitori u solarne elektrane izgrađenim nakon 2010. će postupno doći do kraja razdoblja povrata investicija i početi uživati u znatno višim koristima kako su troškovi solarne električne energije proizlaze samo iz operativnog rada i održavanja sustava. Nadalje se može očekivati proširenje visokonaponskih istosmjernih dalekovoda dugih do 3000 km. Postojeći dalekovodi će morati biti pojačani ili prošireni kakoo njihovi kapaciteti postupno bivaju popunjebi. Europska ulaganja u lokalne solarne termoelektrane će nestati, uzimajući u obzir dostupnost zemljišta, ali će nastaviti investirati solarne termoelektrane u inozemstvu, posebno na južnoj obali Mediterana. Globalni instalirani kapacitet doseže 337 GW, s prosječnim faktorom iskorištenja vršne snage 39% (3 400 sati godišnje), čime se osigurava 1 140 TWh godišnje proizvedene električne elergije. Solarni udio bit će 85%, ili 970 TWh, zahvaljujući poboljšanjima u toplinskim 89
    • spremnicima. To predstavlja oko 3,8% globalne proizvodnje električne energije do 2030. U međuvremenu se grade prve demonstracijske solarne elektrane za proizvodnju solarnih goriva. 8.1.3.3. Implementacija nakon 2030. Solarne termoelektrane nastavljaju ekspanziju te postaju potpuno konkurentane s konvencionalnim termoelektranama na fosilna goriva. Uvoz solarne električne energije pomoći će elektroenergetskim mrežama nositi veći udio varijabilnih izvora energije u mnogim regijama. Međutim, ograničenje na uvoz energije je postavljen na 15% potrošnje zemalja uvoznica, kako vlade preferiraju domaće obnovljive izvore energije. U međuvremenu, solarna goriva se progresivno uvode u globalnu energetiku. Do 2040., globalni instalirani kapacitet doseže 715 GW, s prosječnim faktorom iskorištenja vršne snage 45% (3 900 sati godišnje), čime se osigurava 2 790 TWh godišnje. Solarni udio je 85%, odnosno 2 370 TWh, što predstavlja 8,3% globalne proizvodnje električne energije. Do 2050., globalni instalirani kapacitet doseže 1 089 GW, s prosječnim faktorom iskorištenja vršne snage 50% (4 380 sati godišnje), čime se osigurava 4 770 TWh godišnje, odnosno 11,3% procijenjene globalne proizvodnje električne energije u scenariju „ETP 2008 BLUE“. Bioplin i solarna goriva postaju glavni izvor pomoćnih i hibridnih sustava u solarnim termoelektranama. „Technology Roadmap CSP“ predviđa isti solarni udio od 85% ili 4 050 TWh godišnje u 2050., što predstavlja 9,6% globalne proizvodnje električne energije. Slika 8.4. prikazuje gdje će se solarna energija proizvoditi i trošiti do 2050., SAD će biti najveća regija za proizvodnju solarne energije, nakon čega slijedi Afrika, Indija i Bliski Istok. Afrika će biti daleko najveći izvoznik, a Europa najveći uvoznik. 90
    • Slika 8.4. Proizvodnja i potrošnja solarne električne energije 2050. 8.2. Ekonomska perspektiva Solarne termoelektrane trenutno zahtijevaju veće kapitalne investicije nego drugi izvori energije, ali nudi znatne dugoročne koristi zbog minimalnih troškova za gorivo pomoćnih ili hibridnih sustava. Inicijalni investicijski troškovi stalno padaju kako solarne termoelektrane bivaju sve veće, rastom konkurencije, masovnom proizvodnjom opreme, tehnološkim napretkom i dobivanjem povjerenja financijske zajednice. U narednom vremenu, ekonomska perspektiva koncentrirajućih solarnih termoelektrana će ostati povoljna za vršna i srednja opterećenja, nego u slučaju konstantnog opterećenja zbog problematike skladištenja energije. Programi financiranja se mogu značajno razlikovati, te imati snažne posljedice na cijenu proizvedene električne energije i očekivanu stopu povrata ulaganja. U slučaju financiranja kreditom vrijeme potrebno za gradnju velikih solarnih termoelektrana je dvije godine, te se odgađa vrijeme povrata kredita što utječe na cijenu proizvedene energije. [7] 8.2.1. Investicijski troškovi Za velike parabolične protočne termoelektrane, trenutni investicijski troškovi su oko 3,4 EUR/W do 6,8 EUR/W, ovisno o troškovima zemljišta, tehnologiji, iznosu i raspodjeli izravnog solarnog zračenja, te cijeni spremnika topline i veličini solarnog polja. Solarne termoelektrane 91
    • bez spremnika topline koje su na mjestima s visokim izravnim solarnim zračenjem imaju niske troškove ulaganja, a elektrane s velikim spremnicima koje su na mjestima s nižim izravnim solarnim zračenjem (oko 2.000 kWh/m2/godišnje) imaju visoke troškove ulaganja. [7] Investicijski troškovi po vatu se smanjuju s povećanjem izlazne snage, odnosno kada solarna elektrana raste s 50 MW na 100 MW troškovi padaju za 12%, a s povećanjem na 200 MW padaju za 20%. Za više povezanih pogonskih blokova i priključaka na elektroenergetsku mrežu očekuje se pad troškova za 20% do 25%, kako se instalirana snaga udvostručuje. Investicijski troškovi će se vjerojatno smanjiti povećanjem konkurencije na tržištu, masovnom proizvodnjom dijelova i većim iskustvom ulaganja financijske zajednice u projekte koncentrirajućih solarnih termoelektrana. Investicijski troškovi paraboličnih protočnih termoelektrana bi mogli pasti za 10% do 20%, uvođenjem izravnog generiranja pare koja omogućuje više radne temperature i bolju učinkovitost. Ukupni investicijski troškovi imaju potencijal biti smanjeni za 30% do 40% u sljedećem desetljeću. [7] Investicijske troškove solarnih tornjeva je teže procijeniti, ali su općenito veći nego paraboličnih protočnih termoelektrana. Međutim, povećanje učinkovitosti od 15% do 25% će omogućiti 40% smanjenje ulaganja u solarnu energiju određenih dijelova elektrana, ili 20% ukupnih investicijskih troškova. Nedavni trend prema velikom broju masovno proizvedenih malih ravnih zrcala koja imaju manje opterećenja vjetra i praćenje putanje Sunca pomoću kamera i računala, osigurava smanjenje troškova. Kako industrija solarnih toranjeva ubrzano sazrijeva, investicijski troškovi mogli bi pasti za 40% do 75%. [7] 8.2.2. Troškovi pogona i održavanja Troškovi pogona i održavanja koncentrirajućih solarnih termoelektrana uključuju pogon postrojenja, troškove goriva u slučaju hibridizacije ili pomoćnog plamenika, napojne vode i vode za hlađenje, i terenske troškove održavanja. Parabolična protočna termoelektrana snage 50 MW zahtijeva oko 30-ak zaposlenika za pogon postrojenja i 10-ak za održavanje na terenu. Troškovi pogona i održavanja su procijenjeni od 10 EUR/MWh do 25 EUR/MWh, uključujući i troškove goriva za pomoćni plamenik. Kako elektrane postaju veće, troškovi pogona i održavanja će se smanjiti. [7] 92
    • 8.2.3. Proizvodni troškovi Troškovi električne energije, koji se procjenjuju za parabolične protočne termoelektrane na doživotni godišnji trošak po jedinici proizvedene električne energije, kreće se u rasponu od 163 EUR/MWh do 240 EUR/MWh. Stvarna cijena najviše ovisi o dostupnom solarnom zračenju.1 Kada je u solarnu termoelektranu uključen toplinski spremnik, troškovi ulaganja se povećavaju s veličinom solarnog polja, ali i povećava godišnje vrijeme proizvodnje energije (npr. do 6 600 sati u Španjolskoj s 15 sati skladištenja), čime se trošak energije mijenja samo marginalno. U svakom slučaju, glavna zasluga toplinskog spremnika nije smanjenje troškova električne energije nego povećanje vremena godišnje proizvodnje električne energije, čime se solarne elektrane natječu s konvencionalnim termoelektranama za pokrivanje konstantnog opterećenja u ne tako dalekoj budućnosti. [7] Tablica 8.1. Usporedba cijene proizvedene električne energije po vrsti obnovljivog izvora. [11] IEA/NEA EC EPRI 2005a 2008b 2008c Vjetroelektrane Faktor iskorištenja vršne snage 17-38% 23% 33% (kopnene) EUR/MWh 41-127 79-116 74 Vjetroelektrane (na Faktor iskorištenja vršne snage 40-45% 39% 33% moru) EUR/MWh 58-110 90-148 74 Faktor iskorištenja vršne snage 50% 50-57% EUR/MWh 56-215 37-197 Solarne Faktor iskorištenja vršne snage 9-24% 11% fotonaponske EUR/MWh 185-1665 552-934 Solarne Faktor iskorištenja vršne snage 9-24% 41% 34% termoelektrane EUR/MWh 239 180-266 143 Hidroelektrane a cijena proizvedene energije u slučaju s 10% troška elektrane u kapitalu. b cijena proizvedene energije za 2007. godinu, za solarne, cijena proizvedene energije uključuje trošak plina koju elektrana potroši (385 TJ god.). c cijena proizvedene energije je izračunata za 2015. godinu. korištene su sljedeće pretpostavke: temeljni kapital, 30 god. vijeka elektrane, 10% diskontne stope. Donjem izbosu odgovara izvrsni DNI i mali toplinski kapacitet, a gornjem iznosu odgovara veći kapacitet, ali niži DNI. 1 93
    • 9. ZAKLJUČAK U ovom diplomskom radu obrađena je problematika iskorištavanja sunčevog zračenja te njezin princip pretvorbe u električnu energiju. Tehnloškim napretkom čovječanstva povečavaju se i potrebe za električnom energijom koje iz dana u dan sve više rastu. Postajući sve svjesniji utjecaja na okoliš kojeg ostavljamo radi korištenja fosilnih goriva za proizvodnju električne energije sve više se pribjegava korištenju, tj. proizvodnji električne energije iz obnovljivih izvora. Jedan od obnovljivih izvora električne energije su solarne termoelektrane. Naglasak je stavljen na tehnologije i procese koji najviše obećavaju da će značajno pridonijeti pokrivanju dijela potrošnje električne energije u svijetu. Solarne termoelektane se dijele na koncentrirajuće, u koje spadaju parabolične protočne, solarni toranj i parabolični tanjur, te nekoncentrirajuće u koje spadaju solarni dimnjak i solarni bazen. Prednost koncentrirajućih solarnih termoelektrana u odnosu na nekoncentrirajuće je u koncentriranju solarnog zračenja kojim se postiže veća gustoća toka energije čime se proizvodi para koju je lakše pretvoriti u električnu energiju. Trenutno najzastupljenija tehnologija koncentrirajućih solarnih termoelektrana su parabolične protočne termoelektrane u koje se uložilo najviše vremena i novca u njihov razvoj. Parabolične protočne termoelektrane s paraboličnim kolektorom, iako skuplje, postižu veću koncentraciju zračenja a time i veću učinkovitost od fresnelovih kolektora. Kod solarnih tornjeva najveći napredak je postignut smanjivanjem površine heliostata te upotrebom kamera za praćenje Sunca čime su smanjene investicije. Tehnologija paraboličnih tanjura postiže najveću koncentraciju solarnog zračenja a time i najveću učinkovitost od svih vrsta solarnih termoelektrana ali nedostaci su cijena i nedovoljno pouzdan rad stirlingovog motora. Solarni dimnjaci su trenutno ograničeni na demonstracijske elektrane te se u bližoj budućnosti mogu očekivati prvi komercijalni solarni dimnjaci. Solarni bazeni rade samo kao demonstracijske elektrane te ne vidim neki veći napredak zbog vrlo niske temperature pri pretvorbi u električnu energiju. Iako su najzastupljenije parabolične protočne termoelektrane, mišljenja sam kako će solarni tornjevi postati vodeća tehnologija koncentrirajuće solarne energije zbog postizanja više radne temperature medija a time i veće učinkovitosti pretvorbe solarnog zračenja u električnu energiju te mogućnosti primjene izravnog generiranja pare. U svrhu osiguravanja kontinuiranog pogona solarnih termoelektrana sve više se primjenjuju toplinski spremnici i pomoćni plamenici, čime je u budućnosti osigurana njihova sve veća upotreba u pokrivanju konstantnog opterećenja EES-a. Kako udvostručenjem snage opadaju investicijski troškovi za desetak posto, u budućnosti očekujem drastično povećanje ukupne instalirane snage solarnih termoelektrana u svijetu. 94
    • LITERATURA [1] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese, Renewable Energy, Springer, Berlin, 2007. [2] http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija2.htm#d [3] http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija7.htm#d [4] http://www.solarnipaneli.org/2010/09/standardi-incidentnog-solarnog-zracenja/ [5] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_cmsaf_opt/G_opt_HR.pdf [6] http://www.zelenaenergija.org/hrvatska/clanak/solarne-uzgonske-elektrane/3477 [7] http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/csp_roadmap.pdf [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_tracker [9] http://hr.wikipedia.org/wiki/Sun%C4%8Deva_termoelektrana_Andasol [10] http://www.poduzetnistvo.org/news/solarne-elektrane-mogle-bi-opskrbljivati-strujomcijelu-europu [11] http://www.debateco.fr/sites/default/files/2010%20IEA%2BOECD%20on%20Costs%20 Electricity%20.pdf 95
    • SAŽETAK SOLARNE TERMOELEKTRANE U radu je potrebno opisati vrste, principe rada i razvoj različitih tehnologija solarnih termoelektrana. Navesti tehničke i ekonomske parametre, parametre energetske učinkovitosti te cijenu proizvodnje električne energije, osobito velikih solarnih termoelektrana. Rad opisuje utjecaj atmosfere na solarno zračenje, te navodi dostupnu količinu energije na zemljinoj površini. Navedeni su parametri solarnih termoelektrana i utjecaj toplinskog spremnika na rad istih u elektroenergetskom sustavu. Opisan je princip rada paraboličnih protočnih i fresnelovih termoelektrana, njihove prednosti i nedostaci, te su navedene neke izgrađene elektrane. Opisane su prednosti i nedostaci ravnih i membranskih heliostata, njihov raspored i način na koji prate Sunce. Pojašnjen je princip rada solarnog tornja, te način apsorpcije solarnog zračenja. Naveden je princip rada stirlingovog motora upotrijebljenog u paraboličnim tanjurima za pretvorbu toplinske u električnu energiju. Također, je opisan princip rada solarnih dimnjaka i bazena, baziranih na nekoncentrirajućoj tehnologiji. Naveden je budući razvoj i implementacija solarnih termoelektrana, te ekonomska perspektiva i cijena proizvedene električne energije. Ključne riječi: solarne termoelektrane, parabolični protočni kolektor, heliostat, solarni toranj, solarni dimnjak, solarni bazen, cijena proizvedene električne energije. 96
    • ABSTRACT SOLAR THERMAL POWER PLANTS In this paper is necessary to describe types, principles of operation and the development of various technologies of solar thermal power plants. Specify the technical and economic parameters, parameters of energy efficiency and production cost of electricity, especially in large solar thermal power plants. This paper describes the influence of the atmosphere on solar radiation, and states the amount of energy available on the Earth's surface. The parameters of solar thermal and heat storage effect on the work of the same in the power system are listed. The working principle of parabolic trough and Fresnel power plants are described, their advantages and disadvantages, and some of the constructed plants are listed. The advantages and disadvantages of flat and membrane heliostats, their location and the way they track the sun are described. Explained the principle of the solar tower, and the method of absorption of solar radiation. Operation principles of stirlingˋs engine used in parabolic dishes for converting heat into electricity are listed. Also paper describes the working principle of the solar chimney and pond, based on non concentrated technology. Future development and implementation of solar thermal power plants, economic perspective and the cost of produced electricity are specified. Keywords: solar thermal power plants, parabolic trough collector, heliostat, solar tower, solar chimney, solar pond, cost of generated electricity. 97
    • ŽIVOTOPIS Čajkovac, Hrvoje, rođen 25. veljače 1986. u Vukovaru. Završio je osnovnu školu ”Bartol Kašić” u Vinkovcima, nakon čega upisuje Tehničku školu ”Ruđer Bošković” u Vinkovcima, pohađao je program elektrotehnike, zanimanje elektrotehničar. Zvanje Elektrotehničara stječe 2005. godine s temom maturalnog rada „Biomasa“. Bio je učesnik Državnog natjecanja mladih tehničara u Kraljevici 2005. godine, te osvojio prvo mjesto u raketnom modelarstvu. Po završetku srednje škole, 2005. godine, upisuje preddiplomski studij elektrotehnike na Elektrotehničkom fakultetu u Osijeku, smjer elektroenergetika, koji 2010. godine i završava s temom završnog rada “Mogućnosti primjene programibilne logičke jedinice LOGO! u električnim pogonima”. Iste godine upisuje diplomski studij elektrotehnike, smjer elektroenergetika. Hrvoje Čajkovac 98