Jak zwiększyć wykorzystanie energii cieplnej w elektrowniach słonecznych: kompleksowy przewodnik

Wykorzystanie energii cieplnej jest kluczowym aspektem elektrowni słonecznych. Aby zmaksymalizować wydajność i produktywność tych zakładów, ważne jest zwiększenie wykorzystania energii cieplnej. Wymaga to stawienia czoła różnym wyzwaniom, takim jak nieefektywność wymiany ciepła, problemy z magazynowaniem energii cieplnej oraz wysokie koszty operacyjne i konserwacyjne. W tym poście na blogu omówimy strategie mające na celu zwiększenie wykorzystania energii cieplnej w elektrowniach słonecznych, wraz ze studiami przypadków przedstawiającymi udane wdrożenia.

Aktualne wyzwania w wykorzystaniu energii cieplnej

Nieefektywność wymiany ciepła

Jak zwiększyć wykorzystanie energii cieplnej w elektrowniach słonecznych 1

Jednym z kluczowych wyzwań w wykorzystaniu energii cieplnej jest nieefektywność wymiany ciepła. Elektrownie solarne polegają na wychwytywaniu promieniowania słonecznego i przekształcaniu go w użyteczną energię cieplną. Jednak w procesie wymiany ciepła może dojść do utraty znacznej ilości energii. Może to nastąpić z powodu takich czynników, jak straty ciepła w kolektorach słonecznych, wymiennikach ciepła i rurociągach.

Aby sprostać temu wyzwaniu, można zastosować zaawansowane płyny przenoszące ciepło. Płyny te mają doskonałe właściwości termiczne, co pozwala na bardziej efektywne przekazywanie ciepła. Na przykład zastosowanie stopionych soli jako płynu przenoszącego ciepło dało obiecujące wyniki. Sole te mogą osiągać wyższe temperatury bez wrzenia lub zamarzania, umożliwiając wykorzystanie wyższych różnic temperatur w celu zwiększenia konwersji energii.

Zagadnienia magazynowania energii cieplnej

Kolejnym wyzwaniem w wykorzystaniu energii cieplnej jest magazynowanie jej nadmiaru. Elektrownie słoneczne często borykają się z problemem nieciągłości dostaw energii, ponieważ promieniowanie słoneczne zmienia się w ciągu dnia. Aby temu zaradzić, potrzebne są wydajne systemy magazynowania energii cieplnej.

Jednym ze skutecznych rozwiązań jest zastosowanie materiałów o przemianie fazowej (PCM) do magazynowania energii cieplnej. PCM mogą absorbować i uwalniać duże ilości energii podczas procesu zmiany fazowej, umożliwiając efektywne magazynowanie i wykorzystanie energii cieplnej. Na przykład wosk parafinowy może magazynować duże ilości energii podczas topienia i uwalniać ją po zestaleniu, zapewniając ciągły dopływ energii cieplnej nawet przy niewystarczającym nasłonecznieniu.

Wysokie koszty operacyjne i konserwacyjne

Jak zwiększyć wykorzystanie energii cieplnej w elektrowniach słonecznych 2

Elektrownie słoneczne mogą również wiązać się z wysokimi kosztami operacyjnymi i konserwacyjnymi, co może utrudniać efektywne wykorzystanie energii cieplnej. Koszty te mogą wynikać z takich czynników, jak regularne przeglądy, czyszczenie kolektorów słonecznych oraz konserwacja wymienników ciepła i pomp.

Aby obniżyć te koszty, można wdrożyć zautomatyzowane systemy monitorowania i konserwacji. Systemy te wykorzystują czujniki i zaawansowane algorytmy sterowania do monitorowania wydajności instalacji i wykrywania wszelkich anomalii lub problemów. Automatyzując procesy konserwacji, można zminimalizować potrzebę ręcznych inspekcji i interwencji, zmniejszając w ten sposób koszty operacyjne i konserwacyjne.

Strategie poprawy wykorzystania energii cieplnej

Poprawa wydajności systemów wymiany ciepła

1. Stosowanie zaawansowanych płynów przenoszących ciepło

Jak wspomniano wcześniej, zastosowanie zaawansowanych płynów przenoszących ciepło może znacznie zwiększyć efektywność wymiany ciepła w elektrowniach słonecznych. Płyny te mają lepsze właściwości termiczne, co pozwala na większe różnice temperatur i bardziej efektywną konwersję energii.

2. Optymalizacja projektu wymiennika ciepła

Inną strategią poprawy efektywności wymiany ciepła jest optymalizacja konstrukcji wymiennika ciepła. Wymienniki ciepła odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu energii cieplnej z kolektorów słonecznych do czynnika roboczego. Optymalizując parametry konstrukcyjne, takie jak powierzchnia wymiany ciepła, natężenie przepływu i wymiary rur, można znacznie poprawić ogólną wydajność wymiany ciepła.

Poprawa magazynowania energii cieplnej

1. Stosowanie materiałów zmiennofazowych do przechowywania

Jak omówiono wcześniej, materiały o przemianie fazowej (PCM) można wykorzystać do wydajnego magazynowania energii cieplnej. Wykorzystując PCM o odpowiednich temperaturach topnienia i krzepnięcia, można skutecznie magazynować i uwalniać energię cieplną. Zapewnia to ciągły dopływ energii cieplnej, nawet w okresach niskiego nasłonecznienia.

2. Wdrażanie zaawansowanych systemów magazynowania energii cieplnej

Oprócz PCM można wdrożyć zaawansowane systemy magazynowania energii cieplnej w celu dalszego zwiększenia wykorzystania energii cieplnej. Systemy te wykorzystują technologie, takie jak zbiorniki do magazynowania ciepła, cegły do ​​magazynowania energii cieplnej lub systemy magazynowania stopionej soli. Dzięki wykorzystaniu tych zaawansowanych systemów magazynowania energia cieplna może być magazynowana przez dłuższy czas i uwalniana zgodnie z wymaganiami zakładu.

Obniżenie kosztów operacyjnych i konserwacji

1. Stosowanie zautomatyzowanych systemów monitorowania i utrzymania

Aby obniżyć koszty operacyjne i konserwacyjne, elektrownie słoneczne mogą wdrożyć zautomatyzowane systemy monitorowania i konserwacji. Systemy te stale monitorują wydajność instalacji, wykrywają wszelkie problemy lub anomalie i w razie potrzeby uruchamiają działania konserwacyjne. Zapewnia to terminową interwencję i ogranicza potrzebę ręcznych inspekcji, co skutkuje oszczędnościami kosztów.

2. Wdrażanie energooszczędnych praktyk operacyjnych

Energooszczędne praktyki operacyjne mogą również przyczynić się do obniżenia kosztów operacyjnych w elektrowniach słonecznych. Obejmuje to optymalizację harmonogramu pracy elektrowni w celu dostosowania go do dostępności promieniowania słonecznego, wdrożenie środków oszczędzających energię, takich jak izolacja termiczna, oraz przyjęcie wydajnych procesów operacyjnych. Minimalizując straty energii i optymalizując jej wykorzystanie, można znacznie obniżyć koszty operacyjne.

Studia przypadków udanej poprawy wykorzystania energii cieplnej

Studium przypadku 1: Zwiększone wykorzystanie energii cieplnej w skoncentrowanej elektrowni słonecznej

W skoncentrowanej elektrowni słonecznej efektywność wykorzystania energii cieplnej została znacznie zwiększona poprzez zastosowanie zaawansowanych płynów przenoszących ciepło. Zastępując konwencjonalne płyny przenoszące ciepło stopionymi solami, w zakładzie uzyskano wyższe różnice temperatur i lepszą wydajność konwersji energii. Spowodowało to zwiększenie wytwarzania energii i poprawę ogólnej wydajności instalacji.

Studium przypadku 2: Zwiększona wydajność elektrowni słonecznej

W elektrowni słonecznej zwiększono wykorzystanie energii cieplnej poprzez wdrożenie zaawansowanych systemów magazynowania energii cieplnej. Wykorzystując systemy magazynowania stopionej soli, zakład był w stanie magazynować nadmiar energii cieplnej i uwalniać ją w razie potrzeby. Pozwoliło to na ciągłą produkcję energii, nawet w okresach niskiego nasłonecznienia, i poprawiło ogólną wydajność elektrowni.

Te studia przypadków podkreślają skuteczność różnych strategii zwiększania wykorzystania energii cieplnej w elektrowniach słonecznych. Wdrażając te strategie, elektrownie słoneczne mogą osiągnąć wyższą efektywność konwersji energii, obniżyć koszty operacyjne i konserwacyjne oraz zapewnić bardziej niezawodne i zrównoważone dostawy energii.

Zagadnienia numeryczne dotyczące zwiększenia wykorzystania energii cieplnej w elektrowniach słonecznych

problem 1

Elektrownia słoneczna posiada kolektor słoneczny o powierzchni 500 m². Kolektor słoneczny ma sprawność przetwarzania energii słonecznej na energię cieplną na poziomie 80%. Natężenie promieniowania słonecznego odbieranego na kolektorze wynosi 1000 W/m². Oblicz energię cieplną otrzymaną przez kolektor w ciągu 1 godziny.

Rozwiązanie:

Dany:
– Powierzchnia kolektora słonecznego, A = 500 m²
– Sprawność kolektora słonecznego, η = 80%
– Natężenie promieniowania słonecznego, I = 1000 W/m²
– Czas, t = 1 godzina

Energię cieplną otrzymaną przez kolektor można obliczyć ze wzoru:

E_{\text{termiczny}} = A \cdot I \cdot \eta \cdot t

Podstawiając podane wartości:

E_{\text{termiczna}} = 500 \, \text{m²} \cdot 1000 \, \text{W/m²} \cdot 0.8 \cdot 1 \, \text{godzina}

E_{\text{termiczny}} = 400,000 XNUMX \, \text{J}

Zatem energia cieplna otrzymana przez kolektor w ciągu 1 godziny wynosi 400,000 XNUMX J.

problem 2

Jak zwiększyć wykorzystanie energii cieplnej w elektrowniach słonecznych 3

Elektrownia słoneczna wykorzystuje wymiennik ciepła do przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną. Wymiennik ciepła ma sprawność przetwarzania energii cieplnej na energię elektryczną na poziomie 60%. Jeżeli energia cieplna doprowadzona do wymiennika ciepła wynosi 500,000 XNUMX J, oblicz moc wyjściową energii elektrycznej wymiennika ciepła.

Rozwiązanie:

Dany:
– Sprawność wymiennika ciepła, η = 60%
– Energia cieplna doprowadzona do wymiennika ciepła, E_{text{thermal}} = 500,000 XNUMX J

Moc elektryczną wymiennika ciepła można obliczyć ze wzoru:

E_{\text{elektryczny}} = E_{\text{termiczny}} \cdot \eta

Podstawiając podane wartości:

E_{\text{elektryczny}} = 500,000 0.6 \, \text{J} \cdot XNUMX

E_{\text{elektryczny}} = 300,000 XNUMX \, \text{J}

Zatem moc elektryczna wymiennika ciepła wynosi 300,000 XNUMX J.

problem 3

Elektrownia słoneczna posiada system magazynowania energii cieplnej, który może zgromadzić do 1,000,000 70 200,000 J energii cieplnej. System charakteryzuje się efektywnością magazynowania i odzyskiwania energii cieplnej na poziomie XNUMX%. Jeśli system jest ładowany energią cieplną z szybkością XNUMX XNUMX J/godzinę, oblicz czas potrzebny do pełnego naładowania systemu magazynowania energii cieplnej.

Rozwiązanie:

Dany:
– Maksymalna pojemność magazynowania energii cieplnej, E_{text{max}} = 1,000,000 XNUMX XNUMX J
– Sprawność układu magazynowania energii cieplnej, η = 70%
– Szybkość ładowania energii cieplnej, r = 200,000 XNUMX J/godz

Czas potrzebny do pełnego naładowania układu magazynowania energii cieplnej można obliczyć korzystając ze wzoru:

t = \frac{E_{\text{max}}}{r \cdot \eta}

Podstawiając podane wartości:

t = \frac{1,000,000 200,000 0.7 \, \text{J}}{XNUMX XNUMX \, \text{J/godzinę} \cdot XNUMX}

t \około 7.14 \, \text{godzin}

Dlatego pełne naładowanie systemu magazynowania energii cieplnej zajmie około 7.14 godziny.

Przeczytaj także: