Новая гелиотермальная установка показала рекордную эффективность

Шведская компания Ripasso рассказала о первых результатах испытаний нового вида геолиоэнергетических установок, в которых сочетаются параболические зеркала и продвинутые двигатели Стирлинга. Установки в настоящее время проходят испытания в пустыне Калахари. Новая система показывает чистый КПД в 34 процента и, в отличии от аналогов, не требует пресной воды.

Стартап Ripasso, основанный в 2008 году, испытывает в Южной Африке две необычных гелиотермальных установки, каждая из которых состоит из параболического зеркала площадью чуть менее 104 квадратных метров и закрепленного перед ним двигателя Стирлинга с рабочим давлением в 200 атмосфер. Благодаря альбедо в 95% каждая «тарелка» отражает на закрепленным перед ней двигатель излучение мощностью в 100 киловатт, нагревая одну из его сторон. Охлаждая вторую его сторону за счет окружающего воздуха, система попеременно двигает туда-сюда поршень стирлинга, генерируя до 40 киловатт электроэнергии в идеальных условиях.

На практике часть этой энергии уходит на воздухообмен стирлинга и постоянное перемещение параболических зеркал, поворачивающихся вслед за перемещением Солнца (движение отслеживается с точностью до 1 миллирадиана). За вычетом этих энергозатрат «чистая» генерация составляет более 33 киловатт, что дает установке суммарный КПД до 34%, сообщает The Guardian. Независимые тесты системы британской IT Power показывают, что ее коэффициент использования установленной мощности составляет 25-28%, колеблясь в зависимости от температуры и облачности – то есть средний объем годовой генерации одной 34-киловаттной установки лежит в диапазоне 75-85 тысяч киловатт-часов.

Сегодня основным видом солнечной энергетики остается фотоэлементная генерация на кремниевых солнечных батареях. Ее полевое КПД не превышает 23 процентов, в основном потому, что те 45 процентов солнечного излучения, что приходятся на ИК-спектр, не могут быть использованы существующими кремниевыми панелями. Кроме того, напряжение на выходе из одной панели невелико, а получаемый ток является постоянным. Для его преобразования в переменный ток сетевого качества (высокого напряжения) приходится соединять в цепь много панелей и использовать инверторы, что ведет к существенным потерям на преобразование. По утверждениям Ripasso, конечный КПД таких систем не превышает 15 процентов (альтернативные оценки говорят о 17 процентах), что дает КПД в два и более раз ниже, чем у гелиотермальной системы стартапа. Кроме того, коэффициент использования установленной мощности солнечных батарей редко превышает 20 процентов, то есть за год на киловатт мощности они вырабатывают как минимум на 20-30 процентов меньше, чем гелиотермальные установки.

Серийные геолитермальные электростанции на сегодня дают лишь несколько процентов солнечной генерации. Они используют паровые турбины, устанавливаемые в центральных башнях, на которые направлен свет, отраженный от множества зеркал. Нагретый башенный теплоноситель испаряет воду второго контура и та вращает паровую турбину – также, как и на ТЭС и АЭС традиционный энергетики. В такой схеме напряжение сразу получается высоким, а ток – переменным, из-за чего потери на преобразование электричества сводятся к минимуму. Однако, как и любая ТЭС, такая ГелиоТЭС требует градирен и испарения больших количеств воды. А оптимальным местом для размещения подобных электростанций является пустыня, поэтому необходимость в пресной воде является слабой стороной башенных систем. К тому же они сосредотачивают на центральной башне плотные световые потоки, которые способны убивать тысячи диких птиц. Трупы привлекают насекомых, из-за которых к такой электростанции прилетает еще больше птиц:

В отличии от башенных установок комбинация параболической тарелки и стирлинга имеет очень небольшой рабочий зазор, в который птице трудно попасть непреднамеренно. Малый зазор также снижает и затраты на нагрев воздуха между зеркалом и генерирующей установкой, из-за чего суммарный КПД стирлинговой схемы (30-34 процента) оказывается примерно вдвое выше, чем у обычной гелиотермальной установки. Поскольку в стирлинге рабочим телом является водород в герметичной установке, он не нуждается и в испарении воды. Высокий КПД и отсутствие центральной башни снижает требования к площади: электростанция такого типа на 100 МВт займет около 200 гектар, что втрое меньше, чем у любого другого типа существующих солнечных электростанций. Другим важным преимуществом станции является то, что КПД стирлинга с падением температуры воздуха ощутимо растет, то есть зимой системы Ripasso используют солнечный свет более эффективно.

Ранее сходные по принципу действия установки начала испытывать британская United Sun Systems International. Их суммарный чистый КПД составлял лишь 30 процентов, что ниже, чем у Ripasso.  При этом и та и другая компания использует одинаковые военные стирлинги высокого давления для шведских подводных лодок серии «Готланд» (постройки Kockums Naval Solutions). Такой разрыв может частично объясняться отличиями в конструкции установок Ripasso: применив измененную схему крепления стирлинга, шведский стартап стал меньше затенять параболическое зеркало.

Традиционно препятствием для внедрения гелиотермальных стирлингов в серию являлось недоверие банков к системе, никогда ранее не использовавшейся в крупных проектах. По словам представителей Ripasso, в настоящий момент они получили существенное финансирование от частного инвестора и вскоре планируют начать в ЮАР строительство первой опытно-промышленной электростанции на базе своих установок.