Солнечная башня

Солнечная башня — это тип солнечной электростанции, в которой солнечное излучение концентрируется с помощью системы зеркал (гелиостатов) на приёмник, расположенный на вершине высокой башни. Данная технология относится к классу солнечных электростанций башенного типа (СЭС башенного типа) и является одним из направлений концентраторной солнечной энергетики (CSP — Concentrated Solar Power). В отличие от фотоэлектрических панелей, преобразующих солнечный свет непосредственно в электричество, солнечные башни используют тепловую энергию для нагрева теплоносителя, который затем приводит в действие турбину или тепловой двигатель.

Принцип работы

Основу работы солнечной башни составляет концентрация солнечного излучения. Поле гелиостатов — это тысячи плоских или слегка вогнутых зеркал, установленных на двухосных трекерах. Каждое зеркало автоматически поворачивается вслед за солнцем, отражая лучи на приёмник, расположенный на вершине башни. Приёмник, как правило, представляет собой теплообменник, выполненный из материалов, устойчивых к высоким температурам (например, керамики или специальных сталей). Внутри приёмника циркулирует теплоноситель — расплавленная соль (обычно нитрат натрия и нитрат калия), воздух, водяной пар или жидкий металл.

Температура теплоносителя в приёмнике может достигать 500–1000 °C и выше, в зависимости от конструкции. Нагретый теплоноситель либо напрямую подаётся в паровой или газовый турбинный цикл (для выработки электроэнергии), либо направляется в систему аккумуляции тепла (например, в резервуары с расплавленной солью). Запасённое тепло позволяет станции вырабатывать электроэнергию в ночное время или в пасмурную погоду, что является ключевым преимуществом перед фотоэлектрическими станциями.

История

Идея использования концентрированного солнечного света для нагрева объектов известна с древности (легенда об Архимеде, сжигавшем римские корабли). Однако первые практические попытки создания солнечных башен относятся к 1970-м годам, на фоне нефтяного кризиса.

Ранние проекты

СССР (Крым, 1985–1989): В СССР была построена и запущена в эксплуатацию СЭС-5 (Крымская солнечная электростанция) мощностью 5 МВт. Она представляла собой башню высотой 89 метров с приёмником, окружённую полем из 1600 гелиостатов. Теплоносителем служил водяной пар. Станция работала в тестовом режиме и была остановлена после распада СССР из-за экономических проблем.
США (Калифорния, 1982–1989): Проект Solar One (10 МВт) в пустыне Мохаве. Использовал водяной пар в качестве теплоносителя и масляную систему аккумуляции. В 1995–1999 годах был модернизирован в Solar Two, где впервые применили расплавленную соль для хранения тепла. Проект подтвердил техническую возможность круглосуточной работы.
Европа (Испания, 2007–2013): В Испании построено несколько коммерческих станций, в том числе PS10 (11 МВт) и PS20 (20 МВт) вблизи Севильи. Они стали первыми в мире коммерческими солнечными башнями, использующими водяной пар.

Современный этап

С 2010-х годов интерес к солнечным башням возобновился благодаря снижению стоимости компонентов и развитию технологий аккумуляции тепла. Крупнейшие проекты реализуются в Китае, США, ОАЭ, Марокко и ЮАР.

Классификация

Солнечные башни классифицируются по нескольким признакам:

По типу теплоносителя

Водяные (паровые): В приёмнике вода превращается в перегретый пар, который напрямую подаётся на турбину. Простота конструкции, но ограниченная температура (до 550 °C) и отсутствие эффективного накопления тепла.
Солевые: Используют расплавленную соль (например, смесь нитратов натрия и калия). Позволяют достигать температур 565–600 °C и обеспечивают длительное хранение тепла (до 15 часов). Наиболее распространённый тип для современных коммерческих станций.
Воздушные: В приёмнике нагревается воздух, который затем может использоваться в газовых турбинах (цикл Брайтона) или для нагрева пара. Позволяют достигать очень высоких температур (до 1000 °C), что открывает путь к использованию в термохимических процессах.
Жидкометаллические: Используют жидкий натрий или свинец. Обеспечивают рекордную теплопередачу, но технически сложны и дороги.

По типу приёмника

Внешний (открытый): Приёмник представляет собой цилиндрическую или плоскую поверхность, на которую падают лучи со всех сторон. Проще в изготовлении, но имеет большие теплопотери.
Полостной (закрытый): Приёмник имеет вид полости (например, цилиндрической или конической), внутрь которой направляются лучи. Теплопотери минимальны, но требуется более точная наводка гелиостатов.

По типу гелиостатов

Плоские: Более дешёвые, но требуют большего количества для достижения высокой концентрации.
Вогнутые (параболические): Обеспечивают более высокую плотность потока, но дороже в производстве.

Устройство и характеристики

Типовая солнечная башня включает следующие ключевые компоненты:

Башня: Высокая конструкция (от 50 до 250 метров), на вершине которой размещается приёмник. Высота башни определяет максимальную площадь поля гелиостатов и угол падения лучей.
Поле гелиостатов: Занимает площадь от нескольких гектаров до нескольких квадратных километров. Количество зеркал может достигать десятков тысяч. Каждый гелиостат имеет систему слежения за солнцем (трекер).
Приёмник (ресивер): Теплообменник, где происходит нагрев теплоносителя. Изготавливается из жаропрочных сплавов или керамики.
Система аккумуляции тепла (TES — Thermal Energy Storage): Обычно состоит из двух резервуаров (горячего и холодного) с расплавленной солью. Горячая соль хранится при температуре 565 °C, холодная — при 290 °C.
Энергоблок: Паро- или газотурбинная установка, генератор и система охлаждения. В некоторых проектах используется комбинированный цикл (пар + газ).

Основные характеристики:

Коэффициент концентрации: От 500 до 3000 «солнц» (в зависимости от конструкции).
КПД: От 15% до 25% (для паровых циклов) и до 30% для газовых турбин.
Срок службы: 25–30 лет.
Мощность: От 5 МВт до 150 МВт (на одну башню).

Применение и значение

Солнечные башни применяются в основном для промышленной выработки электроэнергии в регионах с высоким уровнем прямой солнечной радиации (пустыни, степи, высокогорья). Их ключевое преимущество — возможность аккумуляции тепла, что позволяет обеспечивать базовую нагрузку или выдавать электроэнергию в пиковые вечерние часы, когда спрос максимален.

Примеры крупных проектов

Noor III (Марокко): Часть комплекса Noor Ouarzazate. Мощность 150 МВт, солевая аккумуляция на 7 часов. Одна из крупнейших в мире.
Crescent Dunes (США, Невада): Мощность 110 МВт, солевая аккумуляция на 10 часов. Введена в эксплуатацию в 2015 году, однако в 2019 году станция столкнулась с проблемами из-за утечки соли и была остановлена на ремонт.
Delingha (Китай, провинция Цинхай): Мощность 50 МВт, солевая аккумуляция на 9 часов. Введена в 2018 году.
Ashalim (Израиль): Станция «Магним» мощностью 121 МВт, солевая аккумуляция на 4 часа. Введена в 2019 году.
Проект «Солнечная башня» в Дубае (ОАЭ): Часть парка солнечной энергии имени Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума. Планируемая мощность до 700 МВт (несколько башен).

Значение для энергетики

Солнечные башни рассматриваются как перспективная технология для «зелёной» энергетики, способная заменить угольные и газовые электростанции в регионах с высокой инсоляцией. Они обеспечивают:

Стабильность генерации: Благодаря аккумуляции тепла, выработка не зависит от времени суток.
Высокую температуру: Позволяет использовать более эффективные термодинамические циклы.
Возможность когенерации: Одновременная выработка электроэнергии и тепла (например, для опреснения воды).

Критика и ограничения

Несмотря на преимущества, технология солнечных башен имеет ряд недостатков:

Высокая стоимость: Строительство башни, поля гелиостатов и системы аккумуляции требует значительных капиталовложений.
Зависимость от прямой солнечной радиации: В пасмурную погоду или при высокой запылённости воздуха эффективность резко падает.
Экологические риски: Использование расплавленной соли (токсичность, коррозия) и большое потребление воды для охлаждения (в засушливых регионах). Для воздушного охлаждения требуется больше энергии.
Землепользование: Требуются большие площади земли (от 2 до 5 гектаров на 1 МВт).
Технические проблемы: Износ зеркал, точность системы слежения, утечки теплоносителя, высокая сложность обслуживания.
Воздействие на фауну: Известны случаи гибели птиц, пролетающих через зону высокой концентрации солнечного света (так называемый «эффект лазера»). Для снижения риска применяются специальные системы отпугивания.

Интересные факты

Самая высокая солнечная башня в мире (на 2024 год) — башня проекта Ashalim в Израиле, высота которой составляет 260 метров.
В 2022 году в Китае была запущена первая в мире солнечная башня, работающая на сверхкритическом диоксиде углерода (sCO2), что позволяет достичь КПД более 30%.
Технология солнечных башен используется не только для выработки электроэнергии. В некоторых проектах (например, в SolarPACES) её применяют для термохимического производства водорода или синтетического топлива.

Источники

«Солнечная энергетика: учебное пособие» / В.В. Елистратов, А.В. Бобров, А.В. Кузнецов. — М.: Издательство МЭИ, 2018.
«Concentrating Solar Power (CSP) Technology» / International Energy Agency (IEA). — 2023.
«Solar Two: A Molten Salt Power Tower Demonstration» / Sandia National Laboratories. — 1999.
«Noor III CSP Plant: Technical Overview» / ACWA Power. — 2018.
«Delingha 50 MW Molten Salt Tower CSP Plant» / China National Nuclear Corporation. — 2019.
«Ashalim Solar Power Station: Project Description» / Megalim Solar Power. — 2020.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →