Przyszłość instalacji słonecznych

Pod koniec października ubiegłego roku Komisja Użyteczności Publicznej Stanu Kalifornia zaakceptowała plany „farmy” słonecznej o powierzchni 4500 akrów (182 km2), która zacznie zbieranie energii słonecznej pod koniec 2008 roku. Do roku 2012 ta pierwsza z dwóch potężnych farm energetycznych będzie dostarczać 500 MW energii dziennie, co obecnie stanowi ilość wystarczającą do wprawienia w ruch liczników prądu w ponad ćwierć milionie gospodarstw domowych

Rozpatrując to źródło energii na miarę XXI wieku, komisja, jako główne źródło napędu, widzi dziewiętnastowieczny wynalazek – silnik Sterlinga. Stanowiska słoneczne będą używały układu zwierciadeł skupiających światło słoneczne. Lustra te będą się przesuwać po okręgu, podążając za słońcem, świecącym nad pustynią Mojave. Każde takie lustro śledzące słońce będzie skupiało skoncentrowaną wiązkę światła na… małym silniku Stirlinga, (w którym ogrzany wodór rozszerzając się będzie poruszał tłoki, a te, poprzez wał korbowy – obracały generatory). Precyzyjne sterowanie ruchem utrzymuje lustra idealnie skupione na słońcu.

Firma Stirling Energy Systems Inc. z Phoenix będzie właścicielem i operatorem farm słonecznych i będzie sprzedawać energię firmom Southern California Edison i San Diego Gas and Electric, które razem z pozostałymi stanowymi firmami energetycznymi są zobowiązane do roku 2017 dostarczać 20 procent generowanej mocy, pochodzącej ze źródeł odnawialnych.

Zdaniem Steve’a Trimble’a – głównego dyrektora do spraw systemów – o tym, że kalifornijska pustynia jest dobrym miejscem dla farmy (wykorzystującej silniki Sterlinga), decyduje szereg czynników. Brak deszczów oznacza znaczną przewagę dni słonecznych – idealne warunki dla gromadzenia energii słonecznej – i dopasowanie szczytowej dziennej wydajności farmy do szczytowego zapotrzebowania na energię urządzeń klimatyzacyjnych (w warunkach lata południowej Kalifornii). Oznacza też brak zapotrzebowania na wodę, której wymagają silniki pracujące w obiegu parowym, a której brak nie stanowi żadnego problemu dla silnika Stirlinga. – Jedyna woda, której używamy, to jej małe ilości stosowane do mycia luster słonecznych – mówi Trimble.

– Aktualnie firma Stirling ma model elektrowni, składający się z sześciu jednostek, która działa na terenie należącym do Sandia National Laboratory w Albuquerque (Nowy Meksyk). Każda paraboloida o średnicy 38 stóp (11,6 m) może wyprodukować 25 kW mocy w szczycie – mówi Trimble. Elektrownia słoneczna o wydajności 500 MW będzie składała się z 20 000 takich jednostek.

Ważny jest potencjał

Firma Stirling Energy została utworzona w 1996 r. po otrzymaniu od firmy McDonnell Douglas technologii budowy koncentratorów słonecznych. Uzyskała też prawo do wytwarzania silnika Stirlinga o symbolu 4-95, według projektu szwedzkiej stoczni Kockums, specjalizującej się w budowie łodzi podwodnych (która razem z United Stirling AB i Volvo zaprojektowała go jako ciche źródło napędu dla łodzi podwodnych pozostających w zanurzeniu).

Chociaż studenci na zajęciach z inżynierii termodynamicznej od dawna badali obieg Stirlinga, jego praktyczne zastosowanie ograniczało się zdaniem Trimble’a do celów marginalnych. Jednakże wydajność rzędu 29 procent począwszy od kolektora aż po sieć jest prawie dwukrotnie wyższa od wydajności rynien parabolicznych lub ogniw fotowoltaicznych, co sprawia, że logiczne jest wybranie obiegu Stirlinga do słonecznego wytwarzania energii. Zdaniem Trimble’a kluczem do osiągnięcia wyższej sprawności energetycznej jest odtwarzalny element cyklu, w którym zachodzi dodawanie ciepła przy stałej objętości.

W obiegu Stirlinga ciepło nie jest wprowadzane do systemu poprzez spalanie wewnętrzne, tak jak to się dzieje w obiegu Otto. Zamiast tego ciepło dostarczane na zewnątrz cylindra powoduje rozszerzenie się objętości gazu wewnątrz niego.

– Podobnie jak silniki o spalaniu wewnętrznym, silnik Stirlinga jest skomplikowany pod względem mechanicznym, co CHŁODNICE powietrzne eliminują potrzebę stosowania wody do chłodzenia SES używa wodoru w swoich silnikach Stirlinga. Idealny obieg rozpoczyna się od sprężania wodoru w stałej temperaturze (1 do 2 na poniższych wykresach) i od przekazania ciepła generowanego podczas sprężania. Następnie ciepło z regeneratora jest przekazywane do płynu przy stałej objętości (2 do 3). W następnym etapie płyn rozszerza się przy stałej temperaturze (3 do 4), powodując ruch tłoka, podczas gdy ciepło przekazywane jest ze źródła zewnętrznego. W końcu ciepło jest przekazywane do regeneratora w kolejnym cyklu, odbywającym się w warunkach stałej objętości. Działanie sieci jest równoważne pracy wykonanej podczas rozprężania w wysokiej temperaturze, pomniejszonej o pracę wykonaną w celu sprężania tej samej ilości gazu w niższej temperaturze. – W rzeczywistym obiegu Stirlinga – jak mówi Steve Trimble – ten proces nie jest idealny. Ruch tłoków, martwa objętość gazu i daleko mniejsza od idealnej regeneracja mają taki wpływ na przebieg cyklu, jak podano z prawej strony… Obieg Stirlinga czyni go kosztownym dla zastosowań jednorazowych, pomimo jego wysokiej sprawności energetycznej – wyjaśnia Trimble. Znaczna liczba jednostek, które ostatecznie zostaną wykonane, sprowadzi opłacalność przedsięwzięcia do skali porównywalnej z tak złożonymi systemami jak… samochody.

Silnik Stirlinga o prędkości obrotowej 1800 obrotów na minutę, ma cztery cylindry podwójnego działania, które zgodnie z pierwotnym zamysłem inżynierów będą miały wszystkie zalety sprawdzonych już komponentów stosowanych w przemyśle samochodowym.

W silniku zastosowano więc tłoki i popychacze podobne do używanych w nowoczesnych silnikach.

Trimble podkreśla, że każde spośród niemal 90 luster tworzących pojedynczy koncentrator podobne jest wielkością i kształtem do pokrywy komory silnika samochodowego. Skąd taki właśnie kształt? Otóż chodziło o to, aby Stirling mógł produkować te lustra taniej i przy użyciu narzędzi powszechnie stosowanych w przemyśle samochodowym.

– Firma oprze sterowanie koncentratorem na systemach pracujących w otwartej pętli. Punkt, w który ma być wycelowane lustro, zależy od pory dnia i od dnia roku – wyjaśnia Larry Wilson, inżynier projektu SES, odpowiedzialny za konstrukcję luster.

Stirling spodziewa się nieznacznych odchyleń od tych pozycji, spowodowanych wiatrem. W takim przypadku działający w zamkniętej pętli system mierzy odchylenia temperatur w czterech kwadrantach lustra i tak dopasowuje jego położenie, aby te różnice wyrównać.

Zdaniem Trimble’a wielką korzyścią systemu słonecznego w porównaniu z konwencjonalną elektrownią jest możliwość produkowania energii już w momencie zainstalowania pierwszego megawata mocy. Stopniowo firma będzie zwiększać dostarczaną do systemu energetycznego moc do docelowych 500 MW

Na spotkanie słońca

Kiedy SES zaczęło poszukiwania dostawcy napędu kąta podniesienia koncentratora słonecznego, było oczywiste, że wybór padnie na firmę Joyce/Dayton, której połączenia śrubowe wykorzystywane są szeroko w urządzeniach służących do śledzenia satelitów.

Zgodnie z tym, co mówi Michael Harris, dyrektor do spraw marketingu firmy Joyce, w ciągu siedmiu lat firma opracowała i dostarczyła kombinację reduktora ślimakowego i zestawu śrub kulowych do wszystkich sześciu prototypów działających na terenie Sandii.

Jak mówi Harris, aby zredukować koszty, firma najpierw rozważała zastosowanie maszynowych dźwigników śrubowych, zanim nie stało się jasne, że większą trwałość zapewnią śruby kulowe. Żywotność szczytowych śrub nie jest tak przewidywalna, wyjaśnia Harris, ze względu na wiele zmiennych czynników trudnych do kontrolowania, takich jak smarowanie czy też warunki otoczenia. Śruby maszynowe ogólnego stosowania sprawdzają się, jeżeli ich przemieszczenie zawarte jest w granicach 5000 do 13 000 m, natomiast w przypadku śrub kulowych, w których tarcie spowodowane toczeniem zastępuje tarcie występujące przy poślizgu, takie przemieszczenie może standardowo osiągnąć nawet 25 000 m.

Jednakże w odróżnieniu od śrub szczytowych śruby kulowe, ze względu na znacznie mniejsze tarcie, nie mają cechy samohamowności, stwarzając tym samym problem z realizacją ruchu powrotnego. SES dostarcza silnik napędu podniesienia i hamulec dla utrzymywania każdego lustra przodem do słońca.

Śruby kulowe musiały wytrzymać napór wywoływany przez wiatr wiejący z prędkością około 80 km/h, napierający na tarczę lustra bez względu na jego orientację, oraz wiatr o prędkości sięgającej około 145 km/h, gdy lustra znajdowały się w pozycji zablokowanej i zwróconej ku słońcu. W najgorszym przypadku dźwigniki ze śrubami kulowymi muszą znieść obciążenie około 7000 kg. Przy maksymalnym wyciągnięciu, jak mówi Harris, muszą wytrzymać obciążenie ciężarem około 18 000 kg. Inżynierowie firmy Joyce opracowali specjalną śrubę podnoszącą o średnicy dwóch cali do montażu dziesięciotonowej ramy, do czego normalnie można by zastosować śrubę o średnicy 1,5 cala. Jak twierdzi firma – staranność jest najważniejsza. Przedsiębiorstwo podległe firmie Joyce/Dayton opracowało specjalne mieszki z włókien szklanych pokryte aluminium w celu ochrony przed piaszczystym środowiskiem pustyni. Lepiej wytrzymują wysokie temperatury w pobliżu zasilanych przez słońce silników niż neopren.

Firma Peerless-Winsmith dostarczyła azymutalne napędy Planocentric dla sześciu prototypowych tarcz luster. George Tedesco, dyrektor ds. marketingu powiedział, że pakiet napędowy zastępuje szereg funkcjonalnych komponentów, które inaczej musiałyby być zamontowane w podstawie. Firma opracowała go z myślą o zastosowaniu w systemach śledzących słońce.

– System wyposażony w łożysko kulowe o dużej średnicy zarządza wysokimi momentami obrotowymi rzędu 284 000 Nm, które kolektor słoneczny musi wytrzymać pod wpływem obciążeń wywołanych przez wiatr – dodaje Tedesco. Niskoprofilowa skrzynia przekładniowa łączy w sobie przekładnię planetarną i mimośród, które zostały ciasno upakowane w płaskiej obudowie. Luz mniejszy niż 0,5 miliradiana zapewnia dokładne śledzenie słońca.

W czerwcu ubiegłego roku gubernator Kalifornii Arnold Schwarzenegger przyjął dla stanu nowy plan redukcji emisji gazów cieplarnianych, który przyspiesza obecne decyzje urzędowe. Choć oczekuje się, że dłużej istniejący przemysł produkcji energii wiatrowej powinien odegrać większą rolę w spełnieniu tych nowych wymagań, energia słoneczna będzie szczególnie ważna dla południowej części Kalifornii. W tym rejonie energia słoneczna przeważa nad energią pozyskiwaną z wiatru i może być produkowana w pobliżu licznie zamieszkanych regionów stanu.

W pierwszym etapie projekt Southern California Edison zacznie pracować z liczącą 40 zespołów instalacją badawczą o wydajności 1 MW.

Obieg Stirlinga

SES używa wodoru w swoich silnikach Stirlinga. Idealny obieg rozpoczyna się od sprężania wodoru w stałej temperaturze (1 do 2 na poniższych wykresach) i od przekazania ciepła generowanego podczas sprężania. Następnie ciepło z regeneratora jest przekazywane do płynu przy stałej objętości (2 do 3).

W następnym etapie płyn rozszerza się przy stałej temperaturze (3 do 4), powodując ruch tłoka, podczas gdy ciepło przekazywane jest ze źródła zewnętrznego. W końcu ciepło jest przekazywane do regeneratora w kolejnym cyklu, odbywającym się w warunkach stałej objętości.

Działanie sieci jest równoważne pracy wykonanej podczas rozprężania w wysokiej temperaturze, pomniejszonej o pracę wykonaną w celu sprężania tej samej ilości gazu w niższej temperaturze.

– W rzeczywistym obiegu Stirlinga – jak mówi Steve Trimble – ten proces nie jest idealny. Ruch tłoków, martwa objętość gazu i daleko mniejsza od idealnej regeneracja mają taki wpływ na przebieg cyklu, jak podano z prawej strony…

Energia na pustyni

Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (National Renewable Energy Laboratory) w Golden w Colorado zajmuje się opracowywaniem zestawów map pokazujących miesięczny i roczny uzysk energii słonecznej w Stanach Zjednoczonych dla kolektorów płaskich i śledzących słońce. Naukowcy wykorzystują dane, zebrane w latach 1961–1990 z 239 stanowisk Narodowej Bazy Danych Promieniowania Słonecznego Scientists (National Solar Radiation Data Base), aby stworzyć mapy pokazujące przeciętne wartości za okres 30 lat dla każdego stanowiska, a także wartości minimalne i maksymalne dla każdej lokalizacji. Bezpośrednia wiązka promieniowania przychodzi w prostej linii od słońca i jest mierzona przy pomocy dwuosiowych koncentratorów, których kąt widzenia obejmuje 5,7 stopnia – wystarczająco dużo, aby widzieć tarczę słoneczną i mniejszy wycinek nieba…

Autor: TEKST: PAUL SHARKE