ביצועי תחנת כוח תרמו-סולרית - אנרגית שמש ב | Coursera
ביצועי תחנת כוח תרמו-סולרית
4.2（31 个评分） | 4.1K 名学生已注册
ביצועי תחנת כוח תרמו-סולרית8:32
אפשר להפעיל תחנת כוח רגילה בעזרת חום שמופק מקרינת השמש במקום מדלק מאובן. תחנת כוח כזאת נקראת תרמו-סולארית, והיא ממירה קרינת שמש לחשמל. עד כמה ההמרה הזאת יעילה? קודם כל נזכיר מה זאת יעילות. היעילות שווה להספק החשמלי שיוצא חלקי הספק הקרינה שנכנס. הספק הקרינה שנכנס שווה לשטף הקרינה כפול השטח. צריך לחשב את שטף הקרינה הישירה כפול השטח של איסוף הקרינה, כלומר השטח הכוללת של המראות המרכזות. בתחנת כוח תרמו-סולארית יש תהליך מורכב עם כמה שלבים של המרת אנרגיה. אם רוצים להבין איפה מפסידים אנרגיה, צריך לנתח כל שלב בתהליך בנפרד. הרכיבים העיקרים בתהליך ההמרה כוללים: מערכת ריכוז שממירה קרינה ישירה לקרינה מרוכזת, קולט שממיר קרינה מרוכזת לאנרגיה תרמית, מנוע חום שממיר אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית, ואחרון הגנרטור שממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. בכל אחד מהרכיבים האלה יש הפסד כלשהו של אנרגיה. כלומר לכל רכיב יש יעילות משלו. היעילות הכללית של תחנת הכוח שווה למכפלה של היעילויות של הרכיבים השונים. אם נבין מה גורם להפסד האנרגיה בכל רכיב, נוכל להסיק מה היעילות הכללית, ואיך אפשר לשפר אותה. השלב הראשון בהמרת האנרגיה בתחנת הכוח התרמו-סולארית שלנו זה ריכוז הקרינה. יש כמה דרכים להפסיד אנרגיה כאשר אנחנו מרכזים את הקרינה. קודם כל, המראות המרכזות הן לא מחזירות קרינה באופן מושלם. הן בולעות חלק מהקרינה. ההפסד בבליעה בתוך המראות יכול להיות משהו כמו 5 עד 10 אחוזים מתוך הקרינה. אחר כך יש לנו שדה של הרבה מראות, והמראות יכולות לעשות צל אחת על השנייה. אם נדמיין למשל שזאת מראה שמכוונת לכיוון השמש, ונניח שכיוון השמש הוא שם, ברגע שיש לנו שדה עם כמה מראות, מראה שנייה שעומדת מאחוריה יכולה להיות מוסתרת חלקית מהשמש, ואז היא לא מקבלת את מלוא הקרינה. הבעיה עם הסוג הזה של ההפסד שהוא גם משתנה בזמן. כאשר השמש נעה בשמים לכיוונים שונים היחס בין המראות הסמוכות משתנה, ואז כמות ההפסד בהצללה משתנה. מה שאנחנו צריכים לעשות זה לכוון את המרווחים בין המראות בשדה כדי שהאפקט הזה של ההצללה ההדדית יהיה קטן ככל האפשר. אם עושים תכנון נכון של שדה המראות, אז ההפסד שיהיה לנו יכול לרדת עד 2 עד 4 אחוז בסיכום שנתי. דבר נוסף זה הגיאומטריה של המראות. יש צורה מסוימת של המראות כדי שהן יוכלו להחזיר את הקרינה אל המטרה. אבל הגיאומטריה הזאת היא לא מושלמת, היא לא אידאלית, וגם העקיבה, התנועה אחרי כיוון השמש במשך היום, זה גם כן לא מושלם. ולכן חלק מהקרינה יכול לפגוע ליד המטרה, ליד הקולט, ולא בהכרח להיכנס לשטח שצריך להתחמם. גם האפקט הזה משתנה במשך היום אחרי תנועת השמש. אם עושים תכנון נכון, אז מפסידים כאן אולי 2 או 3 אחוזים בסיכום שנתי. במרכזים קווים וגם במרכזים מסוג שדה הליוסטטים יש הפסד נוסף שהוא מאוד משמעותי, וזה הזווית שבין המראות לבין כיוון השמש. אם נסתכל שוב על המראה. אם יש לנו הליוסטט שאמור לקבל קרינה מכיוון מסוים ולהחזיר אותה לכיוון אחר אל המטרה, נצטרך לשים אותו באלכסון, לא פונה אל השמש, אלא בזווית מסוימת, ואז השטח האפקטיבי שהקרינה מצליחה להיכנס הוא יותר קטן. ושטח אפקטיבי קטן זה אומר שייצרנו שטח מסוים של מראות, אבל אספנו פחות קרינה, והפסדנו כאן אנרגיה. ההפסד הזה יכול להגיע לנתח משמעותי של 15 ואולי אפילו עד 25 אחוז. כשמחשבים את כל ההפסדים שהזכרנו במערכת הריכוז, אפשר לקבל יעילות אופטית כוללת בטווח של 60 עד 70 אחוז בחישוב ממוצע שנתי. ביעילות האופטית קשה לשפר הרבה, כי אם נרצה לשפר נצטרך מראות מדויקות יותר ומבנים יותר קשיחים של המראות, >> וזה יכול להיות מאוד יקר ולא כדאי כלכלית. >> הגענו אל הקולט שמקבל קרינה מרוכזת. איזה הפסדי אנרגיה יש בקולט? כבר ראינו קודם מה ההפסדים כשדיברנו על קולט תרמי לחימום מים. הניתוח כאן הוא בדיוק אותו הדבר. יש הפסד בהחזרת קרינה שתלוי במקדם הבליעה או ההחזרה של משטח הקולט. יש הפסד בהסעה לאוויר בסביבה והוא תלוי במקדם ההסעה ובטמפרטורה של הקולט. יש הפסד בפליטה של קרינה והוא תלוי באמיסיביות ובטמפרטורה של הקולט. עד כאן קולט לחימום מים דומה לקולט בתחנת כוח, אבל יש הבדל אחד גדול: הטמפרטורה הנדרשת של הקולט. אנחנו רוצים להפעיל מנוע חום, ולכן נדרשת טמפרטורה גבוהה של מאות מעלות. זה אומר שההפסדים שתלויים בטמפרטורה יהיו מאוד גבוהים, לכן צריך לעשות משהו כדי לשמור על יעילות סבירה של הקולט. נבדוק את הביטוי ליעילות הקולט. אם הריכוז יהיה גבוה, זה יקטין את ההפסדים שתלויים בטמפרטורה וישמור על יעילות גבוהה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך נדרש ריכוז גבוה יותר. יעילות הקולט יכולה להיות בין 80 ל-90 אחוז. הרכיב הבא בתור זה מנוע החום שהופך את האנרגיה התרמית לאנרגיה מכנית. במקרה של תחנת כוח תרמו-סולארית, שמופעלת במחזור קיטור, המנוע נקרא טורבינה שמופעלת על ידי קיטור. איך יודעים את יעילות ההמרה של המחזור הזה? אפשר לחשב בצורה מפורטת, אבל זה דורש הרבה פרטים של תרמודינמיקה. אנחנו לא נרצה להיכנס לפרטים האלה במסגרת הקורס הזה. במקום זה נעשה קיצור דרך. אנחנו מכירים את יעילות קרנו להמרה מאנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית, שזה יעילות של מנוע אידיאלי, לא של מנוע אמיתי. בבדיקה שנעשתה של הרבה מנועים אמיתיים, מחזורי קיטור אמיתיים, נמצא שהיעילות של מנוע אמיתי היא שווה בערך ל-60 אחוז מהיעילות האידיאלית, יעילות קרנו. אנחנו פשוט נשתמש בקירוב הזה. לדוגמה, נניח שנתון לנו שהטמפרטורה של הקולט, טמפרטורה שבה הקולט מספק אנרגיה תרמית למנוע, היא 500 מעלות צלזיוס. והטמפרטורה של הסביבה היא 15 מעלות צלזיוס. אז אפשר לחשב משתי הטמפרטורות האלה את יעילות קרנו. חשוב אבל לשים לב שהטמפרטורה צריכה המרה לטמפרטורה מוחלטת בסקאלה של קלווין. ואז נקבל שיעילות קרנו בטמפרטורות האלו היא 63 אחוז. ואז היעילות של מחזור הקיטור האמיתי, האופייני, היא תהיה 60 אחוז מזה, כלומר 38 אחוז. אחרי ההמרה מאנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית יש לנו עוד רכיב שזה הגנרטור, שהוא ממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. זה התוצר הסופי שלנו. היעילות של גנרטורים כאלה היא בדרך כלל מאוד גבוהה, מעל 95 אחוז. עכשיו אנחנו יודעים את היעילויות של כל הרכיבים. אז אפשר לאסוף את כל המספרים האלו, ולחשב את היעילות הכוללת של תחנת הכוח הסולארית, בהמרה מהאנרגיה הנכנסת, שזה קרינת שמש, ועד מה שיוצא, שזה האנרגיה החשמלית. אם נהיה לרגע פסימיים, וניקח את הערכים הנמוכים יותר עבור כל אחד מהרכיבים, נקבל יעילות כוללת שהיא בערך 15 אחוז. אם נהיה יותר אופטימיים, ונבחר בערכים הגבוהים יותר, אז נקבל יעילות כוללת של 24 אחוז. ככל שהטמפרטורה והריכוז עולים, כך היעילות תהיה גבוהה יותר. המערכת היעילה ביותר, שממש נבנתה בפועל ושהיעילות שלה נמדדה, הגיעה לסביבות 30 אחוז. אבל דווקא המערכת הזאת היעילה לא כל כך הצליחה ביישום תעשייתי. אז בפועל, תחנות כוח תרמו-סולאריות שקיימות, שנבנו ופועלות היום, הן בדרך כלל פועלות ביעילות יותר נמוכה שבין 15 ל-20 אחוז.