SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET

Sveučilišni studij

SOLARNE TERMOELEKTRANE

Diplomski rad

Hrvoje Čajkovac

Osijek, 2013.

Obrazac D1: Obrazac za imenovanje Povjerenstva za obranu diplomskog rada

Osijek, 25.03.2013.

Odboru za završne i diplomske ispite

Imenovanje Povjerenstva za obranu diplomskog rada

Ime i prezime studenta: Hrvoje Čajkovac

Studij (smjer): Diplomski studij elektrotehnike, smjer elektroenergetika

Mat. br. studenta, godina upisa: D-415, 2010./2011.

Mentor: Prof.dr.sc. Damir Šljivac

Sumentor:

Predsjednik Povjerenstva: Prof.dr.sc. Marinko Stojkov

Član Povjerenstva: Danijel Topić, dipl.ing.

Naslov diplomskog rada: SOLARNE TERMOELEKTRANE

Primarna znanstvena grana rada: Elektroenergetika

Sekundarna znanstvena grana (ili polje) rada:

Elektrostrojarstvo

Zadatak diplomskog rada

Opisati vrste, principe rada i razvoj različitih tehnologija solarnih termoelektrana, osobito velikih STE u izvedbi s paraboličnim protočnim kolektorima i sa središnjim prijemnikom, ali i drugih. Dati tehničke i ekonomske parametre, parametre energetske učinkovitosti i očekivanog troška proizvodnje električne energije.

Potpis sumentora: Potpis mentora:

Dostaviti:

1. Studentska služba

U Osijeku, godine

Potpis predsjednika Odbora:

IZJAVA O ORIGINALNOSTI RADA

Osijek, 25.03.2013.

Ime i prezime studenta: Hrvoje Čajkovac

Studij : Diplomski studij elektrotehnike

Mat. br. studenta, godina upisa: D-415, 2010./2011.

Ovom izjavom izjavljujem da je rad pod nazivom: SOLARNE TERMOELEKTRANE

izrađen pod vodstvom mentora Prof.dr.sc. Damir Šljivac

i sumentora

moj vlastiti rad i prema mom najboljem znanju ne sadrži prethodno objavljene ili neobjavljene pisane materijale drugih osoba, osim onih koji su izričito priznati navođenjem literature i drugih izvora informacija. Izjavljujem da je intelektualni sadržaj navedenog rada proizvod mog vlastitog rada, osim u onom dijelu za koji mi je bila potrebna pomoć mentora, sumentora i drugih osoba, a što je izričito navedeno u radu.

Potpis studenta:

SADRŽAJ

1. UVOD ......................................................................................................................................... 1

2. SUNČEVO ZRAČENJE ............................................................................................................. 3

2.1. Solarna energija i gibanje Zemlje oko Sunca ....................................................................... 3

2.2. Atmosferski utjecaji .............................................................................................................. 5 2.3. Globalno zračenje ................................................................................................................. 7 2.4. Izračun solarnog zračenja ..................................................................................................... 8 2.5. Mjerenje zračenja i karte zračenja ........................................................................................ 9 2.6. Izravno sunčevo zračenje .................................................................................................... 12

2.7. Osunčavanje........................................................................................................................ 13

3. OPĆENITO O SOLARNIM TERMOELEKTRANAMA ........................................................ 16

3.1. Koncentracija solarnog zračenja ......................................................................................... 17

3.2. Apsorpcija zračenja ............................................................................................................ 21 3.3. Spremnik topline................................................................................................................. 22 3.4. Pomoćni i hibridni sustavi .................................................................................................. 28

3.5. Spajanje solarnih termoelektrana na mrežu ........................................................................ 30 3.6. Hlađenje solarnih termoelektrana i zahtijevi za vodom ..................................................... 30 3.7. Sustav praćenja prividnog kretanja Sunca .......................................................................... 31

3.7.1. Jednoosni sustav praćenja Sunca ................................................................................. 32 3.7.2. Dvoosni sustav praćenja Sunca .................................................................................... 32 3.7.3. Aktivni pogon sustava za praćenje Sunca .................................................................... 33

3.7.4. Kronološki sustav za praćenje Sunca ........................................................................... 34

4. PARABOLIČNE PROTOČNE TERMOELEKTRANE .......................................................... 35

4.1. Kolektori ............................................................................................................................. 36 4.1.1. Parabolični protočni kolektor ....................................................................................... 36

4.1.2. Fresnel kolektor (LFR - Linear Fresnel Reflectors) .................................................... 37 4.1.3. Kompaktni Fresnel kolektor (CLFR – Compact Linear Fresnel Reflectors) ............... 38

4.2. Apsorber ............................................................................................................................. 39

4.3. Medij za prijenos topline .................................................................................................... 41 4.4. Kolektorska polja ................................................................................................................ 41

4.5. Izgrađene parabolične protočne termoelektrane ................................................................. 42 4.5.1. SEGS (Solar Electricity Generation Systems) ............................................................. 42 4.5.2. Andasol ........................................................................................................................ 45

4.5.3. Puerto Errado 2 (PE2) .................................................................................................. 46 4.6. Solarna integrirana u kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated Solar Combined

Cycle System) ............................................................................................................................. 47 4.7. Integracija u konvencionalnu elektranu .............................................................................. 48

5. SOLARNI TORANJ (CRS – Central Receiver System) ........................................................... 49

5.1. Heliostati ............................................................................................................................. 50 5.1.1. Ravni heliostat ............................................................................................................. 51

5.1.2. Membranski heliostati .................................................................................................. 52 5.2. Polje heliostata i toranj ....................................................................................................... 53 5.3. Prijemnik (receiver) ............................................................................................................ 54

5.3.1. Prijemnik na vodu/paru ................................................................................................ 54

5.3.2. Prijemnik na rastopljenu sol......................................................................................... 54

5.3.3. Otvoreni zračni prijemnik ............................................................................................ 56 5.3.4. Zatvoreni (stlačeni) zračni prijemnik ........................................................................... 57

5.4. Izgrađeni solarni tornjevi .................................................................................................... 57

6. PARABOLIČNI TANJUR ........................................................................................................ 63

6.1. Parabolični koncentrator (tanjur) ........................................................................................ 64 6.2. Prijemnik ............................................................................................................................ 65

6.2.1. Cjevasti prijemnik ........................................................................................................ 65 6.2.2. Cjevni prijemnik .......................................................................................................... 66

6.3. Stirlingov motor .................................................................................................................. 67

6.4. Izgrađeni parabolični tanjuri ............................................................................................... 69

7. SOLARNI DIMNJAK I SOLARNI BAZEN ............................................................................ 70

7.1. Solarni dimnjak................................................................................................................... 70 7.1.1. Kolektor ....................................................................................................................... 71 7.1.2. Spremnik topline .......................................................................................................... 72 7.1.3. Dimnjak........................................................................................................................ 73 7.1.4. Turbine ......................................................................................................................... 74

7.1.5. Prednosti i nedostaci .................................................................................................... 75

7.1.6. Prošli i budući projekti ................................................................................................. 76 7.2. Solarni bazen ...................................................................................................................... 79

7.2.1. Kolektor (bazen) .......................................................................................................... 80

7.2.2. Izmjenjivač topline ....................................................................................................... 81 7.2.3. Termički motor ............................................................................................................ 82

7.2.4. Izgrađeni solarni bazeni ............................................................................................... 82

8. EKONOMSKA PERSPEKTIVA I BUDUĆI RAZVOJ ........................................................... 84

8.1. Budući razvoj [7] ................................................................................................................ 84 8.1.1. Postojeći scenariji ........................................................................................................ 84

8.1.2. Prijenos električne energije .......................................................................................... 85 8.1.3. Tehnološki putokaz koncentrirajućih solarnih termoelektrana .................................... 88 8.1.3.1. Implementacija do 2020. ........................................................................................... 88

8.1.3.2. Implementacija do 2030. ........................................................................................... 89 8.1.3.3. Implementacija nakon 2030. ..................................................................................... 90

8.2. Ekonomska perspektiva ...................................................................................................... 91

8.2.1. Investicijski troškovi .................................................................................................... 91 8.2.2. Troškovi pogona i održavanja ...................................................................................... 92

8.2.3. Proizvodni troškovi ...................................................................................................... 93

9. ZAKLJUČAK ........................................................................................................................... 94

LITERATURA .............................................................................................................................. 95

SAŽETAK ..................................................................................................................................... 96

ABSTRACT .................................................................................................................................. 97

ŽIVOTOPIS .................................................................................................................................. 98

1

1. UVOD

Energetski potencijal pustinje je golem. Institut za energiju europske komisije izračunao

je da bi sve europske potrebe za energijom bile zadovoljene kad bi se iskoristilo samo 0,3 posto

solarne energije iz Sahare i pustinja Bliskog istoka. Ključni izazov je da se potrošnja električne

energije ne nalazi uvijek u blizini najboljih mjesta za iskorištavanje solarne energije. Dvadeset

poznatih njemačkih kompanija i banaka, među kojima Deutsche Bank, Siemens i energetski div

RWE, udružili su se u jedinstvenom projektu ikad zabilježenom u povijesti, pod nazivom

DESERTEC i vrijednom više od 400 milijardi eura, kako bi u Sahari ukrotili Sunčevu energiju i

pretvorile je u čistu električnu energiju za europske potrošače. DESERTEC predviđa izgradnju

solarnih elektrana ukupne snage više od 100 gigavata u Sjevernoj Africi, bio bi ostvaren na više

lokacija u politički stabilnim zemljama, no za gradnju infrastrukture i stavljanje elektrana u

pogon trebat će još mnogo godina. Afrika bi tim projektom zauzvrat dobila tisuće novih radnih

mjesta, vlastitu energiju i desaliniziranu vodu iz mora. Stručnjaci smatraju da najviše tehnički

dostupne energije imaju pustinje u ekvatorskom pojasu u kojem se nalazi i sjeverni dio Afrike.

Projekt DESERTEC zamišljen i kao svojevrsni model po kojem bi njegova primjena, primjerice

u Australiji, Kini, Indiji i Americi bila još učinkovitija. [10]

Osnovni koncept koncentrirajuće solarne energije je koncentrirati energiju sunčevih zraka

za zagrijavanje medija u prijemniku na visoku temperaturu kako bi se dobila para. Toplina se

pretvara najprije u mehaničku energiju pomoću parnih turbina ili termo motora, a potom u

električnu energiju. Velike solarne termoelektrane često se nalaze u sušnim područjima gdje je

voda vrijedan resurs, dok potražnja za vodom brzo raste kao i populacija stanovništva. Solarne

elektrane mogu biti dizajnirane tako da se dio topline koristi za desalinizaciju morske vode.

Takve elektrane će proizvoditi električnu energiju i svježu vodu, ali s gubitkom učinkovitosti u

proizvodnji električne energije. Tu tehnologiju proizvode i europske tvrtke, a već je primijenjena

u Španjolskoj i SAD-u. Koncentrirajuća solarna postrojenja posjeduju i potencijal za proizvodnju

ostalih energetskih prijenosnika poput solarnih goriva. Unatoč snažnom razvoju tehnologije u

proteklih dvadesetak godina, solarne elektrane nekako su ostale po strani i znatno manjih

kapaciteta nego hidroelektrane ili nuklearne elektrane, no i to se mijenja. Parabolične protočne

elektrane čine najveći udio tekuće koncentrirajuće solarne energije na tržištu, ali natječu se i

ostale tehnologije od kojih neke elektrane ugrađuju spremnike topline. Solarne termoelektrane

trenutno zahtijevaju veće kapitalne investicije nego drugi izvori energije, ali nudi znatne

2

dugoročne koristi zbog minimalnih troškova za gorivo pomoćnih ili hibridnih sustava. Inicijalni

investicijski troškovi stalno padaju kako solarne termoelektrane bivaju sve veće, raste

konkurencija, masovnom proizvodnjom opreme i tehnološkim napretkom. Stručnjaci smatraju da

će u realizaciji DESERTEC-a na početku biti potrebna potpora Europske unije, dok će u

kasnijem financiranju najveću ulogu imati banke i privatni sektor. Isplativost projekta ne bi

trebala doći u pitanje jer bi se, uz Europu, enetgijom mogao opskrbljivati i sjeverni dio Afrike, te

Bliski istok. U tom slučaju trebalo bi osigurati manje od 10 milijardi eura iz europskih izvora.

Paralelno s tako velikim ulaganjima, cijena solarne energije bila bi povoljnija. Naime, danas je ta

cijena visoka zbog relativno male proizvodnje te visokih troškova pogona i održavanja. [10]

Tako se iskorištavanje Sunca kao alternativnog izvora pokazuje sve više kao jedno od

najefikasnijih rješenja za opskrbu električnom energijom u svijetu. Time se mogu zadovoljiti ne

samo sve veće potrebe za energijom, nego i vrlo brzo istisnuti fosilna goriva koja su se pokazala

velikim zagađivačem atmosfere, a to znači smanjiti globalno zagađenje, spriječiti klimatske

promjene, krčenje šuma, degradaciju zemljišta i zdravstvene posljedice. Time bi se smanjila

energetska nesigurnost i spriječile opasnosti korištenja nuklearne energije.

Diplomski rad je osim uvodnog podijeljen u još sedam poglavlja. U drugom poglavlju

govori se o utjecaju atmosfere na solarno zračenje, podjeli zračenja i količini zračenja koje

dospijeva na zemljinu površinu. Za solarne termoelektrane vrlo su značajni načini praćenja

prividnog kretanja Sunca, kao i koncentracija solarnog zračenja i njegove apsorpcije u

prijemniku, što je opisano u trećem poglavlju, zajedno s parametrima solarnih elektrana i

utjecajem toplinskog spremnika na rad istih u elektroenergetskom sustavu. U četvrtom poglavlju

naznačene su prednosti i nedostaci različitih pristupa koncentriranja začenja paraboličnih

protočnih i fresnelovih kolektora, te su navedene neke izgrađene elektrane. Peto poglavlje

opisuje princip rada solarnog tornja, različitosti između ravnih i membranskih heliostata, te

vrstama prijemnika. Princip rada stirlingovog motora upotrijebljenog za pretvorbu toplinske u

električnu energiju paraboličnog tanjura opisan je u šestom poglavlju. Sedmo poglavlje govori o

nekoncentrirajućoj tehnologiji solarnih dimnjaka i bazena koji su manje zastupljeni u proizvodnji

električne energije. Osmo poglavlje govori o budućem razvoju i implementaciji solarnih

termoelektrana, te ekonomskoj perspektivi i cijeni električne energije. U zaključku je dan osvrt

na sve opisane vrste solarnih termoelektrana, njihova međusobna usporedba, njihove prednosti i

nedostaci, te načini smanjivanja investicija.

3

2. SUNČEVO ZRAČENJE

2.1. Solarna energija i gibanje Zemlje oko Sunca

Sunce je središnje tijelo našeg Solarnog sustava, to je zvijezda najbliža Zemlji. Jezgra

ima temperaturu od oko 15 milijuna °C. Energija je oslobođena nuklearnom fuzijom gdje se

vodik pretvara u helij. Ta pretvorba rezultira gubitkom mase koja je pretvorena u energiju E.

Prema Einsteinu, to se može izračunati množenjem mase m s kvadratom brzine svjetlosti vc2

(jednadžba 2-1). Oko 650 milijuna t/s vodika pretvara se u približno 646 milijuna t/s helija.

Razlika od oko 4 milijuna t/s se pretvari u energiju. [1]

E = m vc2 (2-1)

Energija oslobođena sa Sunca u prostor prenosi se izbojem materije, a dijelom kao

elektromagnetsko zračenje. Izboj materije sastoji se od protona i elektrona koji su oslobođeni na

Suncu pri brzini od oko 500 km/s. Samo nekolicina električno nabijenih čestica dospije do

površine Zemlje, a većina je odbijena Zemljinim magnetskim poljem što je od posebne važnosti

za život na Zemlji. Oslobođeno elektromagnetsko zračenje obuhvaća cijeli spektar frekvencija

od kratkovalanog do dugovalnog. Spektar Sunčevog zračenja približno odgovara spektru crnog

tijela temperature 5778 K. Stoga se temperatura od 5778 K može uzeti kao efektivna temperatura

Sunčeve površine, a iz nje je primjenom Planckova zakona moguće proračunati energetski

spektar Sunčevog zračenja. Snaga zračenja koje Sunce zrači sa svoje površine iznosi oko 9,5 ·

1025 W. [2] Gustoća toka zračenja na površini Sunca je oko 63,5 MW/m2 (Ms) i smanjuje se s

kvadratom udaljenosti te se može izračunati prema formuli (2-2).

(2-2)

gdje je: dS – promjer Sunca ( oko 1,391 · 109 m)

lSZ – srednja udaljenost između Zemlje i Sunca (149,68 · 109 m)

ESC – gustoća toka zračenja na vanjskom rubu Zemljine atmosfere. [1]

Izračunom se dobije da na vanjskom rubu Zemljine atmosfere gustoća toka zračenja

varira od 1330 do 1420 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja (Slika 2.1.). Srednja

22

2 SZ

SSSC

l

dME

4

vrijednost gustoće toka zračenja (1367 W/m2) zove se solarna konstanta koja i nije konstanta.

Tijekom godina varira za manje od 0,1% zbog 11-godišnjeg ciklusa (tzv. Schwabe-ov ciklus), a

na zračenje utječu i drugi fenomeni, kao što je 27-dnevna diferencijalna rotacija Sunca oko svoje

osi, Sunčeve pjege, prominencije i baklje.

Sunčevo zračenje na rubu atmosfere tijekom cijele godine je obilježeno sezonskim

varijacijama koja su uzrokovana eliptičnom orbitom. Srednja udaljenost Zemlje i Sunca je

149,68 ·106 km. U perihelu, početkom siječnja, Zemlja je 1,67 % bliža, a u afelu, početkom

srpnja, Zemlja je 1,67 % udaljenija od Sunca.

Kako se Sunčevo zračenje mijenja s kvadratom udaljenosti, Zemlja u siječnju prima 6,9

posto više Sunčeve energije nego u srpnju. Unatoč jačem intenzitetu zračenja na vanjskom rubu

atmosfere, u prosjeku su znatno niže temperature na sjevernoj hemisferi tijekom zime nego

tijekom ljeta.

Prema tome siječanjske temperature bi trebale biti više od srpanjskih, zima na sjevernoj

polutki bi trebala biti toplija nago na južnoj, a ljeto na južnoj polutki toplije od ljeta na sjevernoj.

U stvarnosti je sve upravo obratno jer odnosi u atmosferi značajno ovise i o drugim faktorima.[2]

Razlog tomu je kut od 66,5° između rotacijske osi Zemlje i orbitalne ravnine (Slika 2.2.). [1]

Slika 2.1. Godišnja promjena solarne konstante.

5

Slika 2.2. Odnos između Sunca i Zemlje.

2.2. Atmosferski utjecaji

Atmosfera je u značajnoj mjeri nepropusna za sunčevo zračenje što dovodi do smanjenja

intenziteta zračenja. Mehanizmi koji dovode do smanjenja zračenja su difuzija, apsorpcija i

refleksija (Slika 2.3.).

Difuzija je skretanje zračenja sa svog prvobitnog kuta bez prijenosa energije a time i bez

gubitka energije. Problem nastaje kada takvo raspršeno svjetlo ne pada na plohu pod pravim

kutem što dovodi do gubitka energije. Difuzija se odvija u molekulama zraka, kapljicama vode,

kristalima leda i česticama aerosola.

Apsorpcija je pretvorba sunčevog zračenja u druge oblike energije, odnosno sunčevo

zračenje se pretvara u toplinu tijekom ovog procesa. Takva apsorpcija odvija se u oblacima i

oborinskim česticama. Moguća je i selektivna apsorpcija kod nekih plinova unutar atmosfere. To

je osobito slučaj kod ozona (O3) i vodene pare (H2O). Ozon gotovo u potpunosti apsorbira

6

spektar između 0,20 i 0,36 µm. Za usporedbu, ugljični dioksid (CO2) samo minimalno apsorbira

sunčevo zračenje.

Slika 2.3. Utjecaj atmosfere na upadno Sunčevo zračenje. [3]

Slabljenje je opisano prijenosnim faktorom τG (formula 2-3) koji utječe na globalno solarno

zračenje na vanjskom atmosferskom rubu koje prolazi kroz atmosferu. [1]

GSCg EG (2-3)

gdje je: Gg – globalno solarno zračenje

τG – faktor transmisije.

Faktor transmisije (τG) se sastoji od difuzije svjetlosti te apsorpcije u plinovima i česticama.

Tijekom prolaska solarnog zračenja kroz Zemljinu atmosferu dolazi do promjene spektra

zračenja.

7

Slika 2.4. prikazuje spektar solarnog zračenja prije i nakon prolaska kroz atmosferu. Sa

slike je vidljivo da se maksimalna energija nalazi u vidljivom spektru valne duljine odnosno

između 0,5 i 0,6 µm. Sa smanjenjem valne duljine snaga zračenja naglo opada, a s povećanjem

valne duljine snaga zračenja polagano opada.

Na krivulji spektra zračenja se vidi da na specifičnim valnim duljinama dolazi do dubokih

propada snage zračenja koji su uzrokovani selektivnom apsorpcijom određenih elemenata.

Slika 2.4. Energetska distribucija spektra solarnog zračenja prije i poslije prolaska kroz

atmosferu. [4]

2.3. Globalno zračenje

Globalno zračenje možemo podijeliti na izravno (direktno), difuzno (indirektno) i

reflektirano (odbijeno) zračenje na površini Zemlje.

Izravno zračenje je zračenje na određenom mjestu, nakon što je pravocrtno proputovalo

sa Sunca. Difuzno zračenje je nastalo raspršivanjem zračenja u atmosferi i time posredno

doseglo do određene točke na Zemljinoj površini.

8

Za izračun ukupnog sunčevog zračenja na određenoj površini, izravno i difuzno zračenje

moraju se razlikovati zbog različitih upadnih kutova. Zimi ili u planinskim područjima,

reflektirano zračenje u većoj mjeri pridonosi globalnom zračenju, primjerice zbog snježnog

pokrivača. Udio difuznog i izravnog zračenja u ukupnom godišnjem globalnom zračenju na

nekom mjestu je podložan dnevnim i sezonskim oscilacijama. Srednji godišnji udio difuznog

zračenja u srednjoeuropskim regijama znatno je veći od izravnog zračenja. Tijekom zimskih

mjeseci, globalno zračenje gotovo se sastoji od difuznog zračenja. U ljeto, udio izravnog

zračenja značajno se povećava, ali je u prosjeku uvijek manji od udjela difuznog zračenja. To

može biti potpuno drugačije na mjestima diljem svijeta. U pustinji je udio izravnog zračenja u

većini slučajeva vrlo visok. S druge strane u regijama s vrlo visokim oborinama ili puno magle

doprinos difuznog zračenja na ukupno godišnje globalno zračenje može biti više od 80 %.

Također, to može varirati tijekom dana ili godišnja doba. Intenzitet zračenja ovisi o nadmorskoj

visini i geografskoj širini. Tako se smanjenjem nadmorske produljuje put koji zračenje prolazi te

se smanjuje debljina atmosfere. Približavanjem ekvatoru povećava se količina energije.

2.4. Izračun solarnog zračenja

Jakost solarnog zračenja može se kvantitativno izračunati prema formuli (2-4).

2

0000365

360cos034,01)()( mWE

nEnnE srsr

(2-4)

gdje je: ε – ekscentricitet elipse (ε =0,017)

n – broj dana u godini.

Ukupna dnevna količina energije u [J/m2] koja se dobije ozračenjem vodoravne plohe:

coscossinsinsin

360

2

365

360cos034,01

86400),,,( 00 SSsrS

nEnW

(2-5)

gdje je: ωS – satni kut Sunca (12 h = 0°, 13 h = 15°, 15 h = 45°) odnosno kut projekcije na

ekvatorijalnu ravninu linije koja spaja centar Zemlje i centar Sunca i linije koja

spaja centar Zemlje i promatranu točku. [1]

9

Φ – zemljopisna širina promatranog mjesta

δ – deklinacija Sunca (kut između spojnice središta Zemlje sa središtem Sunca i

ekvitorijalne ravnine).

2

365

248360sin45,23

n (2-6)

Maksimalni dotok energije do Zemljine površine u prosjeku iznosi dnevno 920 W/m2 na

plohu okomitu na smjer zračenja. Zbog rotacije energija se raspoređuje površinom Zemlje, pa na

površinu dolazi prosječno dnevno 230 W/m2.

2.5. Mjerenje zračenja i karte zračenja

Mjerenje solarnog zračenja za neku određenu lokaciju određuje se mjerenjem i analitički.

Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Za loklno mjerenje koristi se piranometar koji mjeri

globalnu, izravnu i difuznu ozračenost na horizontalnu površinu (gustoća energije H u [Wh/m2]).

Često se mjeri trajanje sijanja Sunca zbog nedostatnog mjerenja Sunčevog zračenja.

Piranometri mogu imati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne elemente

kao senzore. Na odabranoj lokaciji instrument ne bi trebao registrirati zračenje odbijeno od tla i

okolnih predmeta, niti imati prepreke više od 5° u području gdje Sunce izlazi i zalazi.

Obrađeni podaci su dostupni od različitih institucija koje integriraju mjerenja

meteoroloških postaja i satelita s analitičkom obradom za višegodišnja razdoblja i različite

rezolucije. Svi izvori koji nisu rezultat posebnih mjerenja za konkretnu lokaciju imaju

neodređenost koja može biti i do 30%. Neodređenost je manja na nivou procjene za ukupnu

godišnju ozračenost.

Godišnje globalno zračenje doseže svoj maksimum u pojasu sjeverno i južno od ekvatora,

to je naročito izraženo u pustinjama i planinskim predjelima. Nakon tog pojasa godišnje globalno

zračenje počinje opadati.

10

Stanje u Hrvatskoj je takvo da se Sunčevo zračenje ne mjeri ni na jednoj postaji iz mreže

meteoroloških postaja Državnog hidrometeorološkog zavoda (DHMZ). Takva situacija značajno

ograničava točno određivanje energetskog potencijala Sunčevog zračenja u Republici Hrvatskoj,

ali postoje izvori podataka koje je moguće kupiti (European Centre for Medium Range Weather

Forecast) ili koji su besplatni (NASA Surface Meteorology and Solar Energy i Photovoltaic

Geographical Information System (PVGIS ).

Karte mogu dati samo grubu procjenu globalnog zračenja. Lokalno sunčevo zračenje

stoga može varirati unutar određenih granica. Slika 2.5. prikazuje ukupno solarno zračenje pod

optimalnim kutom inklinacije za područje RH.

Prema PVGIS podacima optimalni kut za područje RH kreće se od 33° na sjeveru do 37°

na jugu. Valja imati na umu da se optimalni kut mijenja tijekom godine zbog prividnog kretanja

Sunca.

Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju

energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sunčanih dana. Najbolje je rješenje koje prati

kretanje sunca. Time se može povećati dobivena energija za 25 do 40 %, a za sunčanije lokacije

više se postiže praćenjem Sunca u jednoj ili dvije osi. Za procjenu potencijala korištenja

sunčevog zračenja i preliminarne analize dovoljni su i ovako grubi podatci.

11

Slika 2.5. Ukupno solarno zračenje pod optimalnim kutom za područje RH. [5]

Najpovoljnija područja za iskorištavanje koncentrirane solarne energije su u Sjevernoj

Africi, južnoj Africi, Bliskom Istoku, sjeverozapadnoj Indiji, jugozapadni SAD, Meksiko, Peru,

Čile, zapadni dio Kine i Australija. Ostala područja koja mogu biti pogodna su na krajnjem jugu

12

Europe i Turska, druge južne američke lokacije, centralno azijske zemlje, mjesta u Brazilu i

Argentini.

Nedavni pokušaji da se kartografira izravno sunčevo zračenje u svijetu temelji se na

satelitskim podacima (Slika 2.6.). Međutim, precizna mjerenja se mogu postići samo mjerenjem

na tlu, a time satelitski rezultati moraju biti umanjeni za zadovoljavanje točnost. Nekoliko studija

detaljno razmatra potencijal u ključnim regijama (SAD i Sjeverna Afrika), dajući posebnu

pozornost na dostupnost zemljišta, bez skladištenja, koncentrirajuća solarna postrojenja

zahtijevaju oko dva hektara po MWe, ovisno o izravnom solarnom zračenju i korištenoj

tehnologiji. [7]

Slika 2.6. Karta izravnog solarnog zračenja.

2.6. Izravno sunčevo zračenje

Izravna komponenta sunčevog zračenja je od najvećeg interesa za dobivanje visoke

temperature potrebne za solarne elektrane, jer može biti usmjerena na malim površinama

pomoću ogledala ili leće, dok difuzna komponenta ne može. Fokusiranje sunčevog zračenja

zahtijeva vedro nebo koje se obično nalaze u polusušnim i sušnim regijama.

Koncentrirajuća solarna postrojenja koriste izravno sunčevo zračenje (DNI - direct

normal irradiance) koje se mjeri kao energija dobivena na površini koja okomito prati sunčeve

13

zrake. Mjerenje izravnog sunčevog zračenja je svakako jedno od najsloženijih mjerenja u

određivanju potencijala energije Sunca. Izravno sunčevo zračenje mjeri se pirheliometrom,

instrumentom koji se sastoji od termočlanaka na dnu uskog cilindra tako je vidni kut instrumenta

samo oko 5°. Takvom geometrijom se omogućava registracija samo zračenja koje dolazi iz

uskog pojasa oko Sunčevog diska. Prijemna površina instrumenta u svakom trenutku mora biti

okomita na Sunčeve zrake tako da pirheliometri moraju pratiti Sunce po nebu uz kutnu grešku

manju od 0,75° (Kipp & Zonnen) ili 1,5° (Epply), što zahtijeva složen i precizan mehanički

sustav za praćenje kretanja Sunca. Takvi sustavi za dvoosno praćenje Sunca su za red veličine

skuplji od samog mjernog instrumenta. Izmjerene podatke je potrebno normalizirati na srednju

udaljenost Zemlje od Sunca, a instrument kalibrirati prema instrumentu više klase. [3]

Mjerenje izravnog sunčevog zračenja daje prvu aproksimaciju potencijala izlazne

električne energije. U praksi, ono što je najvažnije je varijacija zračenja tijekom dana, jer ispod

određenog praga dnevnog izravnog zračenja, koncentrirajuće solarne elektrane ne proizvode

energiju zbog stalnih toplinskih gubitaka u kolektorskom polju. Proizvođači koncentrirajućih

solarnih elektrana obično postavljaju donju granicu izravnog sunčevog zračenja od 1900 do 2100

kWh/m2/god.

2.7. Osunčavanje

Pojam "sijanje Sunca" definira situaciju kada sunčev disk rasvjetljuje predmete snažnije

od raspršenog zračenja neba, odnosno pojavu sjene iza rasvijetljenih objekata. Pojam je više

vezan uz vidljivo svjetlo nego uz ostale frekvencije Sunčevog zračenja. WMO (World

Meteorological Organization) definira sijanje Sunca kao razdoblje u kojem je intenzitet

Sunčevog zračenja veći od 120 W/m2. Trajanje sijanja Sunca ili osunčavanje se mjeri u satima.

U praksi je pojam prvotno definiran uz registraciju na Campbell-Stokesovom heliografu,

instrumentu koji sijanje Sunca registrira izgaranjem posebne trake smještene iza posebne

staklene leće koja zrake koncentrira na traku koja se mora mijenjati svaki dan. Campbell-

Stokesov heliograf je možda najstariji instrument koji se još uvijek zadržao u redovnim

meteorološkim mjerenjima. Instrument je 1853. godine razvio J. Campbell (Slika 2.7.). Njegov

instrument se sastojao do staklene kugle napunjene vodom koja je postavljena u sredini

14

izdubljene drvene posude. Staklena kugla fokusira Sunčevo zračenje na unutrašnju površinu

posude i ostavlja nagoreni trag na drvu. G. Stokes je 1879. godine unaprijedio Campbellov

instrument do izvedbe koja se koristi i danas. Stokesov instrument koristi staklenu kuglu od

visokokvalitetnog stakla smještenu u sredini metalnog ležišta koje se može prilagođavati prema

geografskoj širini. Papirna traka se stavlja iza kugle u smjeru istok zapad tako da se Sunčevo

zračenje koncentrira kroz kuglu i progorijeva traku toplinskim djelovanjem. Na traci su označeni

sati pa je moguće ustanoviti kad i koliko je Sunce sijalo. Traka se treba mijenjati svaki dan i

obično je različita za ljeto, zimu i proljeće (jesen). Da bi traka počela registrirati potreban je

određeni intenzitet sunčevog zračenja, ovisno o instrumentu između 80 i 280 W/m2. Ako je traka

vlažna (česta situacija u zimskim jutrima) mora se prije nego započne registracija osušiti za što je

potrebna određena količina topline, što znači da vlažna traka počinje kasnije registrirati od suhe.

Krajevi metalne školjke zaklanjaju suprotnu stranu trake određeno vrijeme kod izlaza i zalaza

Sunca. Često se trake ne postave dobro pa registracija nije točna. Najvažnija prednost Campbell-

Stokesova heliografa, mogućnost rada bez potrebe za električnom energijom, nije više presudna

zbog dostupnosti električnog napajanja na sve većem broju meteoroloških postaja. Za točno

očitanje mjerenja je potrebna vizualna procjena iskusnog osoblja. Sama konstrukcija instrumenta

ne omogućava automatizirano prikupljane podataka pa WMO preporučuje napuštanje mjerenja

trajanja sijanja Sunca Campbell-Stokesovim heliografom. [3]

2.7. Heliograf Negretti&Zambra (David Friend Productions, San Diego, California)

15

Heliografi se trebaju postavljati na mjesta sa slobodnim obzorom bez ikakvih prepreka u

smjeru izlaska i zalaska Sunca. Za naše zemljopisne širine to znači otvorenost obzora za izlaz od

NE do SE (50°-140°) i zalaz od SW do NW (220°-310°). Ukoliko prepreke ipak postoje, one će

skraćivati registraciju heliografa ako su veće od visine Sunca pri kojima heliograf počinje ili

prestaje registraciju. Ako su prepreke manje njihov utjecaj će biti obuhvaćen instrumentalnom

greškom heliografa pa se mogu zanemariti. Svjetska meteorološka organizacija preporučuje

najvišu visinu prepreka do 3° pri čemu izgubljeni dio registracije neće biti značajan. Takav

horizont smatramo kvaziidealnim. Međutim, velik broj mjernih postaja nema niti kvaziidealan

horizont. Čak i ako se instrument jednom pravilno postavi mogu se tijekom vremena pojaviti

prepreke, novoizgrađene zgrade, stupovi ili narasla stabla. Stabla predstavljaju velik problem jer

se prepreka na vjetru pomiče, postepeno se povećava, tijekom godine se mijenja jer u proljeće

prolista a u jesen izgubi lišće. [3]

16

3. OPĆENITO O SOLARNIM TERMOELEKTRANAMA

U osnovi solarne termoelektrane se ne razlikuju od ostalih termoelektrana u dijelu koji

pretvara toplinsku u električnu energiju. Uvijek se primjenjuje toplinski kružni proces koji paru

preko parne turbine ili nekog drugog toplinskog stroja koji pretvara toplinsku energiju u

mehaničku i električnu pomoću generatora.

Iz termodinamičkih razloga je potrebna visoka temperatura kako bi se postigla veća

učinkovitost. Visoke temperature se postižu povećanjem gustoće toka energije sunčevog zračenja

pomoću koncentrirajućih kolektora. S obzirom na tehno-ekonomsku optimizaciju cjelokupnog

sustava u nekim slučajevima poželjne su niže temperature što rezultira znatno manjim

investicijskim troškovima. Prije navedeni okvirni uvjeti dovode do cijelog niza različitih solarnih

termoelektrana. [1]

Prema vrsti koncentracije sunčevog zračenja, solarne termoelektrane su podijeljene na

koncentrirajuće i ne koncentrirajuće. Osim toga, dodatne različitosti mogu biti prema vrsti

medija za prijenos topline i sustava za pohranu topline (ako je primjenjivo) ili pomoćni sustavi

elektrane na fosilna goriva.

Koncentrirajuće solarne termoelektrane možemo podijeliti na:

- Parabolične protočne solarne termoelektrane

- Solarni toranj tj. sa središnjim prijamnikom (CRS - central receiver systems)

- Parabolični tanjur.

Za ekonomičnu primjenu u elektroenergetskim sustavima gore navedena rješenja solarnih

termoelektrana relevantna su prema iskustvu i potencijalu. Sve ove termoelektrane koriste

primarno direktnu komponentu sunčevog zračenja i za dostatnu učinkovitost moraju pratiti

kretanje Sunca.

Nekoncentrirajuće solarne elektrane dijelimo na:

- Solarni dimnjak

- Solarni bazen.

17

Naglasak je stavljen na tehnologije i procese koji najviše obećavaju da će značajno

pridonijeti pokrivanju dijela potrošnje električne energije u svijetu. Koncentrirajući kolektori

mogu doseći temperature slične postojećim termelektranama na fosilna goriva.

3.1. Koncentracija solarnog zračenja

Kako bi se postigla veća efikasnost pri proizvodnji električne energije potrebno je parnoj

turbini dovesti paru s dobrim parametrima. To se postiže koncentracijom solarnog zračenja

odnosno dovođenjem veće koncentracije topline nego one koje stvaraju ravni kolektori.

Koncentracija sunčevog zračenja je opisana koncentracijskim omjerom što se određuje na dva

načina.

Omjer koncentracije C može se odrediti geometrijski (Cgeom), opisujući odnos površine

solarnog otvora Aap i površine apsorbera Aaps (jednadžba 3-1). Koncentracijski omjer tipičnog

paraboličnog protočnog kolektora s otvorom širine 5,8 metara i promjera cijevi apsorbera od 70

mm iznosi približno 26. S obzirom na parabolični protočni kolektor, ponekad se omjer širine

otvora do cijevi apsorbera naziva koncentracijskim omjerom, ova se količina razlikuje od

koncentracijskog omjera definiranog jednadžbom (3-1) s faktorom π. [1]

aps

ap

geomA

ACC (3-1)

Na drugi način omjer koncentracije C može se definirati kao omjer gustoće toka zračenja Gap na

razini otvora i odgovarajuće vrijednosti Gaps apsorbera (Cflux, jednadžba 3-2). [1]

aps

ap

fluxG

GCC (3-2)

Za izračun najvećeg mogućeg omjera koncentracije kolektora u dvije dimenzije

(parabolični protočni kolektor) i tri dimenzije (kružni paraboloid odnosno parabolični tanjur)

koristi se "kut prihvata zraka" 2θa. Ovaj kut pokriva cijeli kut vidnog polja solarnih zraka koje su

fokusirane na kolektoru bez potrebe za pomicanjem kolektora ili nekog njegovog dijela. [1]

18

Za jednoosne koncentratore (parabolični protočni kolektor) maksimalni omjer koncentracije

Cideal, 2D za dani polu-kut prihvata θ izračunava se prema jednadžbi (3-3). [1]

a

sin

1 C 2D ideal, (3-3)

Za dvoosne koncentratore (parabolični tanjur) maksimalni omjer koncentracije Cideal, 3D

izračunava se prema jednadžbi (3-4). [1]

23D ideal,

)(sin

1C

a (3-4)

Budući da na Zemljinoj površini kut prihvata sunčevih zraka 2θ iznosi 0,53 °, maksimalni

idealni faktor koncentracije je 213 za dvje dimenzije (žarišna linija) i 45 300 za tri dimenzije

(žarišna točka). U praksi kut prihvata kolektora mora biti povećan, tako da je ostvarivi omjer

koncentracije nužno znatno smanjen zbog:

- pogreške praćenja, geometrijske refleksije kao i nesavršene orijentacije prijemnika dovode da

je kut prihvata veći od kuta otvora Sunca,

- korištena zrcala su nesavršena i proširuju reflektiranu zraku,

- Atmosfersko raspršenje proširuje učinkoviti kut otvora Sunca daleko od idealne geometrijske

vrijednosti polu-kuta prihvata. [1]

Koncentracijom zračenja želi se postići veća temperatura apsorbera odnosno radnog

medija i posljedično veća koncentracija topline, a time i površina apsorbera može biti manja. Na

taj način je lakše smanjiti neizbježne toplinske gubitke zbog zračenja, konvekcije i kondukcije. U

slučaju apsorbera paraboličnog protočnog kolektora, to se postiže dvostrukom staklenom cijevi i

vakumom između istih te premazom s niskim koeficijentom emisije unutar odgovarajuće valne

duljine.

Izravna koncentracija difrakcijom ili lomom svjetlosti može se izvršiti samo krutim,

transparentnim materijalom (staklena leća), koje su vrlo skupe te ova opcija nije primijenjiva u

velikim razmjerima iz ekonomskih razloga. Reflektirajuće površine su se dokazale cijenovno

19

najučinkovitije jer gotovo paralelno reflektiraju upadno zračenje na određenu točku ili liniju.

Profil parabole pokazuje takva svojstva (Slika 3.1. a)). Iz ekonomskih razloga radi uštede

materijala želi se postići najveći mogući omjer koncentracije, tj. omjer reflaktirajuće površine

naspram površine apsorbera bi trebao biti što je moguće veći. Takva svojstva pokazuje kružni

paraboloid (Slika 3.1. e)). S problemom proizvodnje takvog tijela raste i njegova cijena, a kao

alternativno rješenje nameće se ekstrudirana parabola (Slika 3.1. c)), tako da fokus nije točka

nego linija. [1]

Slika 3.1. Profil parabole (a) s ucrtanim putom zraka, b) segmentirani profil parabole ucrtanim

putem zraka, c) i d) ekstrudirani iz profila a) i b), e) i f) dobiveni rotacijom iz profila a) i b).

Što je više izravnata parabola to je udaljenija žarišna linija od tjemena parabole. U

odnosu na strmiji profil parabole, ravniji profil katakteriziran je nižim omjerom reflektirajuće

površine i površine otvora (tj. efektivnom površinom kolektora), a time je specifična potrošnja

materijala smanjena. Profil parabole podijeljen na manje segmente istog nagiba u istoj točki kao i

profil parabole, ali se nalazi u jednoj ravini. Zbog spriječavanja upadnog i reflektiranog zračenja,

učinkovitost reflektiranja (tj. omjer zračenja na površini otvora i koncentriranog zračenja) je

općenito niži nego za profil parabole. Slika. 3.1. d) prikazuje ekstrudirani segmentirani profil

20

parabole, a slika. 3.1. f) prikazuje rotaciju ekstrudiranog segmentiranog profila parabole.

Rotacijski profil predstavlja prednost općenito većeg faktora koncentracije, a time veću

temperaturu medija. Međutim, tada je koncentratorom potrebno pratiti Sunce u dvije osi te

zahtijeva veći tehnički napor, a time i veću cijenu. [1]

Elektrane opremljene profilima rotirane parabole nazivaju se parabolični tanjuri, a

elektrane sa segmentnim profilom rotirane parabole su solarni toranj (jer se žarišna točka nalazi

na tornju). U slučaju elektrana opremljenih profilom ekstrudirane parabole s žarišnom linijom

nazivaju se parabolične protočne elektrane ili elektrane s fresnelovim kolektorima. Osim

optičkih svojstava materijala korištenih za reflektirajuću površinu, ostvariva učinkovitost u

velikoj mjeri ovisi o geometriji kolektora i preciznosti sustava praćenja Sunca. U praksi se

koriste optičke mjerne metode za procjenu kvalitete koncentratora.

Faktori koncentracije i parametari različitih solarnih termoelektrana koje primjenjuju

koncentrirajuće kolektore prikazane su u tablici 3.1.. Za bolju usporedbu dodani su tehnički

podaci nekoncentrirajućih solarnih termoelektrana.

Tablica 3.1. Parametri solarnih termoelektrana.

Parabolične

protočne Fresnel

Solarni

toranj

Parabolični

tanjur

Solarni

dimnjak

Solarni

bazen

Najavljena snaga

[MW] 1000 300 370 709 200 5

Tipična snaga

[MW] 10-500a 10-31,4a 30-370a 0,01-1,5a 30-27a 0,2-5

Realna snaga

[MW] 250 31,4 110 0,025 0,05 5

Faktor

koncentracije 50-90 25-50 600-1000 1500-4000 1 1

Efikasnost b [%] 15 9-10 20-35 25-30 0,7-1,2 1

Razvojni status c ++ ++ ++ ++ + +

a spajanjem više manjih elektrana, b godišnja efikasnist pretvorbe zračenja u električnu energiju, c + uspješni

kontinuirani pogon demonstracijske elektrane, ++ komercijalna elektrana

21

Solarni množitelj je omjer stvarne veličine solarnog polja koncentrirajuće solarne

elektrane u odnosu na veličinu polja potrebanog za snabdijevanje turbine projektne snage kad je

sunčevo zračenje na svom maksimumu (oko 1 kW/m2). Elektrane bez toplinskog spremnika

imaju optimalani solarni množitelj od 1,1 do 1,5 (do 2,0 za fresnel kolektore), ovisno o količini

sunčevog zračenja koju elektrana prima i njegovog variranja kroz dan. Elektrane s velikim

toplinskim spremnicima mogu imati solarni množitelj od 3 do 5. [7]

3.2. Apsorpcija zračenja

Svi materijali apsorbiraju dio upadnog sunčevog zračenja. Apsorpcija zračenja uzrokuje

vibriranje atoma materijala pri čemu nastaje toplina. Toplina se prenosi kondukcijom topline i /

ili oslobađanjem toplinskog zračenja ili konvekcijom natrag u atmosferu. Najveći dio sunčevog

zračenja se sastoji od vidljivog svjetla, tj. prevladava kratkovalno zračenje. Raspodjela svjetlosti

različitih valnih duljina otprilike odgovara zračenju crnog tijela pri temperaturi od oko 5700 K. S

obzirom na temperature koje se odnose na solarne termoelektrane (100 do 1000 °C), tijela zrače

uglavnom srednjim i kratkovalnim zračenjem (Wienov zakon). Kada se promatra samo mali dio

spektra, koeficijent apsorpcije i koeficijent emisije je identičan (Kirchhoff zakon). Prikladni

selektivni premaz osigurava da se kratkovalno zračenje dobro apsorbira dok je dugovalno

zračenje blokirano. Takvi materijali apsorbera odlikuju se visokim koeficijentom apsorpcije αaps

s obzirom na sunčevo zračenje i niskim koeficijenatom emisije εaps u smislu dugovalnog

toplinskog zračenja, ponekad se takvi materijali nazivaju α/ε premazi. [1]

22

3.3. Spremnik topline

Sunčevo zračenje je izvor energije čiji intenzitet varira deterministički zbog rotacije

Zemlje (dan/noć) i stohastički kao rezultat stvarnih meteoroloških utjecaja (oblaci, aerosola, itd.).

Kako bi se kompenzirale fluktuacije potrebno je koristiti spremnik topline. U sušnim i

polusušnim područjima pogodnim za koncentrirajuća solarna postrojenja, intenzitet sunčevog

zračenja se dobro podudara s potrošnjom električne energije i vršnom potrošnjom, potaknuta

klimatizacijskim uređajima. Međutim, raspoloživo sunčevo zračenje varira i u najsunčanijim

mjestima. Nadalje, ljudska aktivnost i toplinska inercija zgrada zahtjevaju visoku potražnju za

električnom energijom nekoliko sati nakon zalaska Sunca. Za osiguravanje većeg udjela čiste

električne energije i smanjene emisije CO2, koncentrirajuća solarna postrojenja će morati dati

energiju osnovnog (konstantnog) opterećenja, što se može riješiti upotrebom spremnika topline

ili hibridizacijom.

U tom pogledu razlikujemo skladištenje topline u mediju za prijenos topline, masovnu

pohranu i skladištenje topline promjenom agregatnog stanja medija.

Za spremanje topline u mediju za prijenos topline isti se pohranjuje u toplinski izolirane

spremnike. Međutim, to podrazumijeva da medij za prijenos topline bude cjenovno dostupan i

ima visoki specifičani toplinski kapacitet kako bi se smanjili troškovi spremnika. Do danas se

koriste spremnici toplinskog ulja i rastopljenih soli, međutim planiraju se spemnici vode/pare.

Prednost ovog načina pohrane je konstantna temperatura medija za prijenos topline koja je

umanjena samo za toplinske gubitke u spremniku. [1]

U slučaju masovne pohrane, medij za prijenos topline predaje toplinu drugom materijalu

visokog toplinskog kapaciteta. Za tu svrhu mora se osigurati da između medija za prijenos

topline i materijala za pohranu topline postoji dobar prijenos topline (tj. velike površine i visoki

koeficijent prijenosa topline) kako bi se osiguralo potrebnu razliku radne temperature i

smanjenjili gubici prijenosa topline. Masovni spremnici se primjenjuju ako je medij za prijenos

topline preskup (npr. sintetičko ulje) ili teško pohranjiv (npr. zrak). Za masovne spremnike

koriste se kombinacije termo ulje i beton, termo ulje i rastaljena sol, para i uljni pijesak te zrak i

keramičke cigle. Masovni spremnici nude prednost vrlo jeftinog materijala za spremanje topline,

međutim, ima i nedostataka uzrokovanih gubitkom topline u spremniku i gubitak koji nastaje u

pumpama tijekom dvostranog prijenos topline za vrijeme punjenja i pražnjenja. [1]

23

Unutar spremnika koji radi na principu promjene agregatnog stanja materijala vodena

para se kondenzira izotermno, tako da materijal za skladištenje (npr. soli, kao što su NaCl,

NaNO3, KOH) iz čvrstog stanja prelazi u tekuće. I u ovom slučaju, postoje nedostataci

uzrokovani gubitkom topline u spremniku i gubitakom koji nastaje u pumpama tijekom

dvostranog prijenos topline. Štoviše, takvi materijali s promjenom agregatnog stanja su još

uvijek vrlo skupi. [1]

Tablica 3.2. prikazuje termodinamičke podatke odabranih medija za spremanje topline. Jedna od

karakteristika je koeficijent prolaska topline ath. Prema jednadžbi (3-5) ath je definiran kao

korijen produkta toplinske vodljivosti λ, gustoće medija ρ i specifičnog toplinskog kapaciteta cp.

pc tha (3-5)

Tablica 3.2. Parametri medija za toplinski spremnik.

Max.

temp.

[°C]

Topl.

vodljivost

[W/mK]

Gustoća

[kg/m3]

Specifični

topl. kapacitet

[J/kgK]

Koeficijent

prolaska topl.

[Ws1/2/m2K]

Silikonsko

ulje 400 0,1 970 2100 450

Mineralno

ulje 300 0,12 900 2600 530

Natrijev

klorid 450 0,57 927 1500 890

Cigle 700 0,18 – 1,6 800 – 1200 950 925

Beton 400 1,5 2500 850 1785

Čelik 700 40 7900 430 11700

24

Sve koncentrirajuće elektrane imaju određenu kratkoročnu sposobnost pohrane toplinske

energije u mediju za prijenos topline, odnosno međuspremnik koji im omogućuje izglađivanje

proizvodnje električne energije i znatnu eliminaciju kratkoročnih varijacija sunčevog zračenja.

Koncept toplinskog spremnika je da se višak topline tijekom dana preusmjerava u

materijal za pohranu topline (npr. rastopljenu sol). Nakon zalaska Sunca kad je potrebna

proizvodnja električne energije, pohranjena toplina se koristi za proizvodnju pare koja obavlja

rad u parnoj turbini. Turbina pogoni generator za proizvodnju električne energije.

Istraživanja pokazuju da je na mjestima s visokim izravnim solarnim zračenjem (DNI),

vremensko proširenje proizvodnje električne energije kako bi se slagalo sa zahtjevima potrošnje

potreban je toplinski spremnik za dva do četiri sata.

U nešto manje sunčanijim područjima, spremik topline bi mogao biti veći jer pomaže

nadoknaditi manje predvidivo zračenje. Solarno polje je nešto veće u odnosu na nazivnu

električnu snagu (tj. elektrana ima veći solarni množitelj) kako bi se osigurala dovoljna

proizvodnja električne energije. Kao rezultat toga, u vrijeme maksimalnog solarnog zračenja,

solarno polje proizvodi više topline nego njegova turbina može iskoristiti. U nedostatku

kapaciteta spremnika topline, za vrijeme najsunčanijih sati, operateri elektrane će morati

"defokusirati" neke nepotrebne solarne kolektore. Gubitak energije se može izbjeći pohranom

topline u spremnik topline, a također omogućuje proširenje proizvodnje nakon zalaska Sunca. Na

primjer, neke parabolične protočne elektrane u Španjolskoj spremaju dovoljno topline u

rastaljenoj soli za proizvodnju energije nazivne snage turbine od 50 MWe za više od sedam sati

(Slika 3.2.). [7]

25

Slika 3.2. prikazuje princip rada koncentrirajuće solarne elektrane sa spremnikom topline.

Višak topline prikupljen solarnim poljem prolazi kroz izmjenjivač topline i zagrijava

rastaljenu sol koja ide od „hladnog“ spremnika do „vrućeg“ spremnika. Kada je potrebna

proizvodnja električne energije, toplina iz „vrućeg“ spremnika se predaje mediju za prijenos

topline koji prolaskom kroz generator pare proizvodi paru za pogon turbine.

Koriste se različiti kapaciteti toplinskih spremnika kako bi se koncentrirajuća solarna

postrojenja prilagodila različitim potrebama potrošnje električne energije. Sve četiri hipotetske

elektrane ispod imaju istu veličinu solarnog polja i proizvode istu količinu električne energije, ali

u različitim vremenskim razdobljima i različitom snagom.

26

Tablica 3.3. Utjecaj kapaciteta spremnika topline na korištenje solarnih termoelektrana.

Veličina

solarnog

polja

Kapacitet

spremnika

topline

Snaga

turbine

[MW]

Vrijeme

proizvodnje

Trajanje

proizvodnje

[h]

Elektrana srednjeg

opterećenja 1 Mali kapacitet 250 8:00 do 19:00 11 h

Elektrana

odgođenog

srednjeg

opterećenja

1

Srednji

kapacitet

spremnika

250 12:00 do

23:00 11 h

Elektrana

konstantnog

opterećenja

1

Veliki

kapacitet

sptemnika

120 0:00 do 24:00 24 h

Elektrana vršnog

opterećenja 1

Veliki

kapacitet

spremnika

620 11:00 do

15:00 4 h

Konfiguracija srednjeg opterećenja je dizajnirana za proizvodnju električne energije kada

dostupno zračenje pokriva vršno i prijelazno opterećenje. Proizvodnja električne energije traje od

8 h do 19 h, odnosno 11 sati. Ima 250 MW-nu turbinu i zahtijeva mali kapacitet toplinskog

spremnika. Ima najmanje investicijske troškove i najjeftiniju proizvodnju električne energije. [7]

Dizajn elektrane odgođenog srednjeg opterećenja prikuplja sunčevu energiju cijeli dan,

ali proizvodi električnu energiju od podneva do 23 h, tekođer 11 sati što odgovara vršnim i

prijelaznim opterećenjima. Ima istu snagu turbine kao elektrana srednjeg opterećenja, ali

zahtijeva veći (srednji) kapacitet spremnika topline. Ovakav dizajn elektrane iziskuje veći

tehnički napor te veće investicije, ali proizvodi električnu za vrijeme dva vršna opterećenja

odnosno skuplju energiju čime se mogu pokriti troškovi većeg toplinskog spremnika. [7]

27

Elektrane konstantnog opterećenja proizvode energiju u trajanju od 24 sata dnevno za

većinu godine, te zahtijeva veliki kapacitet toplinskog spremnika i manju turbinu. Ako su

troškovi većeg kapaciteta spremnika topline niži od troškova turbine veće snage, proizvedena

energija iz elektrane konstantnog opterećenja je nešto jeftinija nego u elektrani odgođenog

srednjeg opterećenja. To će vjerojatno biti slučaj s višim radnim temperaturama, što će

omogućiti jeftiniji toplinski spremnik, ali zahtijeva sofisticiraniju i skuplju turbinu. [7]

Elektrana vršnog opterećenja je dizajnirana za proizvodnju energije u trajanju od

nekoliko sati kako bi se pokrilo ekstremna vršna opterećenja. Zahtijeva turbinu velike snage (620

MW) i veliki kapacitet toplinskog spremnika. Od sva četiri dizajna proizvodi najskuplju, ali i

najvrjedniju energiju. [7]

Koncentrirajuća solarna postrojenja s velikim toplinskim spremnicima mogu biti u stanju

proizvoditi solarnu energiju konstantnog opterećenja dan i noć, što omogućuje solarnim

elektranama s niskom emisijom ugljika natjecanje s konvencionalnim elektranama koje emitiraju

visoke razine CO2. Na primjer, jedan solarni toranj snage 17 MW izgrađen u Španjolskoj

koristiti rastaljenu sol kao medij za prijenos topline i kao medij za toplinski spremnik, može

pohraniti dovoljno toplinske energije za pokretanje pogona pri punom opterećenju u vremenu od

16 sati.

Spremnik topline ima svoju cijenu, te ne može biti proširen na neodređeno vrijeme kako

bi se spriječili rijetki događaji nestašice solarne energije. Trenutni fokus energetske industrije je

značajno povećanje temperature što poboljšava ukupnu učinkovitost koncentrirajućih solarnih

elektrana i smanjenje troškova toplinskog spremnika. Poboljšanje toplinskih spremnika pomoći

će jamčiti konstantnu snagu elektrane i proširenje proizvodnje električne energije. Toplinski

spremnici potencijalno čine solarne elektrane konstantnog opterećenja samo moguće, iako

produljenje proizvodnje električne energije s pomoćnim sustavom na fosilna goriva i

hibridizacija ima svoje prednosti i vjerojatno će tako i ostati. [7]

28

3.4. Pomoćni i hibridni sustavi

Gotovo sve koncentrirajuće solarne elektrane sa ili bez toplinskog spremnika su

opremljene pomoćnim sustavom generiranja pare na fosilna goriva koji pomažu regulaciju

proizvodnje i osiguravanje nazivne snage elektrane, pogotovo u vrijeme vršnih i polu-vršnih

perioda opterećenja. Plamenici koji mogu koristiti fosilna goriva, bioplin ili solarna goriva mogu

osigurati toplinu mediju za prijenos topline, mediju za spremnik topline ili za izravni pogon

mrežnog bloka. U područjima gdje izravno sunčevo zračenje nije idealno, pomoćni plamenik na

goriva gotovo u potpunosti omogućuje proizvodnju električne energije nazivne snage elektrane

po nižoj cijeni nego da solarna elektrana isključivo ovisi o solarnom polju i toplinskim

spremnicima (Slika 3.3.). Pružanje 100% nazivne snage elektrane sa samo toplinskim

spremnikom će zahtijevati znatno veća ulaganja u rezervna solarna polja i kapacitet toplinskih

spremnika, što će dovesti do skuplje proizvodnje električne energije tijekom godine. [7]

Slika 3.3. Kombinacija spremnika topline i hibridizacije u solarnoj termoelektrani.

Plamenici povećavaju učinkovitost pretvorbe solarne enerhije u električnu energiju na

način da se poveća radna temperatura pare. U nekim solarnim elektranama plamenici se mogu

koristiti kontinuirano u hibridnom pogonu.

29

Koncentrirajuća solarna energija se može koristiti u hibridnom pogonu dodavanjem

malog solarnog polja u konvencionalne termoelektrane poput termoelektrane na ugljen ili

kombiniranu elektranu na prirodni plin u tzv. integrirani solarni kombinirani kružni proces

(ISCCS - Integrated Solar Combined Cycle System). Iako je solarni udio ograničen,

hibridizacijom se može postići ušteda goriva. Pozitivni aspekt uštede goriva solarnom energijom

je njihova relativno niska cijena, kako su parni krug i turbina već ugrađeni, potrebne su samo

komponente specifične za koncentrirajuća solarna postrojenja koja zahtijevaju minimalna

dodatna ulaganja. Takve uštede goriva, s kapacitetima od nekoliko megavata do 75 MW, grade

se uz postojeće ili nove konvencionalne termoelektrane na fosilna goriva u Alžiru, Australiji,

Egiptu, Iranu, Italiji i SAD-u.

U SEGS elektranama, izgrađenim u SAD-u između 1984. i 1991., koristi se prirodni plin

kako bi poboljšao proizvodnju električne energije tijekom cijele godine. U ljeto, SEGS operateri

koristite dodatni plamenik na plin u kasnim poslijepodnevnim satima i pokreću turbinu nakon

zalaska sunca (do 10 h). Tijekom zime u vremenu od 12 do 18h), SEGS elektrane koriste

prirodni plin kako bi se postigla nazivna snaga turbine dopunom niskog solarnog zračenja.

Elektrane su ograničene za proizvodnju 25% primarne energije na prirodni plin. [7]

Shams-1 parabolična protočna elektrana snage 100 MW, planirana u Ujedinjenim

Arapskim Emiratima, će kombinirati hibridizaciju i dodatni plamenik na prirodni plin, odnosno

dva odvojena plamenika. Elektrana će kontinuirano koristiti plin tijekom sunčanih sati kako bi

podigla temperaturu pare (s 380 °C na 540 °C) za optimalan rad turbine. Unatoč stalnom

korištenju plina, samo 18% ukupne proizvodnje energije čini plin. Elektrana će koristiti prirodni

plin za zagrijavanje medija za prijenos topline. Ova rezervna (dodatna) mjera služi za

osiguravanje nazivne snage, ali će se koristiti samo kada je solarno zračenje nedostatno za

postizanje nazivne snage elektrane. Kroz godinu dana, drugi plamenik može sudjelovati s 3% u

ukupnoj proizvodnji energije. [7]

30

3.5. Spajanje solarnih termoelektrana na mrežu

Solarne elektrane s toplinskim spremnikom i dodatnim plamenikom nude značajne

prednosti za električne mreže. Gubici u toplinskim spremnicima su manji nego u postojećim

tehnologijama za pohranu energije (uključujući reverzibilne hidroelektrane i baterije), čineći

toplinske spremnike dostupnijim, učinkovitijim i jeftinijim u solarim elektranama.

Koncentrirajuća solarna postrojenja mogu poboljšati sposobnost električnih mreža u

primanju većeg udjela varijabilnih izvora energije, čime se povećava ukupna mrežna

fleksibilnost. Kao što je pokazano u Španjolskoj, povezivanjem koncentrirajuće solarne elektrane

olakšava veći udio energije vjetra u određenim mrežnim stanicama. Koncentrirajuće solarne

elektrane s dodatnim plamenikom mogu eliminirati potrebu za izgradnjom „vršnih“

konvencionalnih termoelektrana na fosilna goriva koje bi bile u pogonu za vrijeme najvećih

opterećenja tijekom nekoliko sati na dan. [7]

Optimalna veličina koncentrirajućih solarnih elektrana je oko 200 MW, mnoge postojeće

mreže koriste slabe dalekovode na krajnjim dijelovima mreže, odnosno u manje naseljenim

područjima, koji ne mogu podržati velike količine električne energije iz solarne elektrane. Dakle,

u nekim slučajevima, veličina koncentrirajućih solarnih elektrana može biti ograničena

raspoloživim vodovima ili zahtijevati dodatna ulaganja u veće dalekovode. Nadalje, često je

lakše dobiti dozvole, mjesto izgradnje, spoj na mrežu i financije za manje koncentrirajuće

solarne elektrane koja mogu brže ući u pogon.

3.6. Hlađenje solarnih termoelektrana i zahtijevi za vodom

Kao i konvencionalne termoelektrane, solarne termoelektrane zahtijevaju vodu za

hlađenje i kondenzacijske procese. Koncentrirajuće solarne elektrane zahtjevaju relativno puno

vode, oko 3000 l/MWh za parabolične protočne i fresnel (slično nuklearnim elektranama), u

odnosu na 2000 l/MWh za elektrane na ugljen i 800 l/MWh za kombinirane elektrane na prirodni

plin. Solarni toranjevi zahtijevaju manje vode po MWh-u nego parabolične protočne elektrane,

ovisno o učinkovitosti tehnologije. Parabolični tanjuri su hlađeni okolnim zrakom, te ne trebaju

hlađenje vodom. [7]

31

Pristup velikim količinama vode je važan izazov za korištenje koncentrirajućih solarnih

elektrana u sušnim područjima jer su dostupni vodni resursi vrlo cijenjeni. Suho hlađenje,

odnosno hlađenje sa zrakom je jedina učinkovita alternativa koju koriste solarne integrirane u

kombinirani kružni proces (ISCCS) elektrane u izgradnji na sjeveru Afrike. Takovo rješenje je

skuplje i smanjuje učinkovitost. Suho hlađenje instalirano u paraboličnim protočnim elektranama

u vrućim pustinjama smanjuje godišnju proizvodnju električne energije za 7%, a povećava

troškove proizvodnje električne energije za oko 10%. Gubici suhog hlađenja su niži za solarne

tornjeve nego za parabolične protočne elektrane.

Instalacija hibridnih mokro/suhih rashladnih sustava je bolja opcija, te kao takva

smanjuje potrošnju vode, s minimalnim gubicima. Hlađenje vodom je učinkovitije, ali skuplje,

operatori hibridnih sustava imaju tendenciju da se zimi koristiti suho hlađenje kada su potrebe za

hlađenjem niže, a zatim se prebace na hibridni mokro/suhi rashladni sustav tijekom ljeta. Za

parabolične protočne elektrane ovakav pristup može smanjiti potrošnju vode za 50%, sa samo

1% pada godišnje proizvodnje električne energije.

3.7. Sustav praćenja prividnog kretanja Sunca

Sustav praćenja Sunca nalazi se u svim koncentrirajućim solarnim termoelektranama jer

ne proizvode energiju ako nisu orijentirana točno prema Suncu, odnosno ako ne usmjeravaju

izravno zračenje na apsorber. Sustave praćenja Sunca možemo podijeliti na jednoosne ili

dvoosne, te prema pogonu aktivni ili kronološki. Energija koju snop izravnog solarnog zračenja

nosi, opada s kosinusom kuta između zrake svjetlosti i kolektora ili heliostata.

U usporedbi s fiksnim kolektorom, jednoosni sustav praćenja povećava godišnju

proizvodnju energije za oko 30%, a dvoosni sustav praćenja za dodatnih 6%.

32

3.7.1. Jednoosni sustav praćenja Sunca

Jednoosni sustav praćenja prividnog kretanja Sunca koristi se u paraboličnim protočnim

termoelektranama. Jednoosni sustav praćenja Sunca karakterizira duga horizontalna cijev koju

podupiru stupovi na postoljima, a cijev je orijentirana u liniji sjever-jug, odnosno prati Sunce od

istoka prema zapadu. Parabolična zrcala postavljaju se na cijev koja rotira oko svoje osi kako bi

pratila prividno kretanje Sunca tijekom dana. Ako solarna termoelektrana nije uz ekvator, nije

posebno uspješna zimi (osim ako se nalazi uz ekvator), ali je u značajnoj mjeri produktivnija za

ljetno i proljetno razdoblje kada je put Sunca visoko na nebu. Ovi sustavi su manje efikasni na

višim zemljopisnim širinama. Osnovna prednost ovih sustava za praćenje je čvrstoća potporne

strukture i jednostavan mehanizam. Iako su parabolična zrcala postavljena horizontalno, ona su

određene širine, te pri postavljanju više redova kolektora treba paziti da ne dolazi do

međusobnog zasjenjivanja. Kod aktivnih mehanizama, jedan kontroler i motor dovoljni su za

upravljanje s više redova kolektora. [8]

3.7.2. Dvoosni sustav praćenja Sunca

Dvoosni sustav praćenja Sunca fokusira zrake Sunca u točku, te mora stalno pratiti

putanju Sunca kako bi se osiguralo da je sunčevo zračenje uvijek paralelno optičkoj osi

koncentratora. Dvoosni sustav praćenja Sunca se koristi za parabolične tanjure i solarne tornjeve,

odnosno heliostate. Dvoosni sustavi za praćenje Sunca ograničeni su na aktivne sustave za

praćenje i dijele se na visinsko-azimutne i polarne.

Polarni sustav praćenja Sunca ima jednu os koja je paralelna Zemljinoj osi rotacije

(polarna os), a drugu os u ravnini ekliptike (os deklinacije). Polarna os prati Sunce od izlaska do

zalaska svaki dan, odnosno mehanizam zakreće sustav po 15° na sat nadoknađujući Zemljinu

rotaciju u odnosu na Sunce. Os deklinacije zahtijeva manje podešavanja tijekom godine zbog

manjeg odstupanja od ravnine ekliptike.

Visinsko-azimutni sustavi za praćenje Sunca imaju jednu os koja je vertikalni rotirajući

stup (Slika 3.4. lijevo) ili horizontalno prstenasto postolje (Slika 3.4. desno) koje dopušta uređaju

da bude zakrenut do orijentacijske točke. Prstenasto postolje ima određenu prednost zbog bolje

raspodjele mase u više točaka za razliku od jednog nosivog stupa. Druga os je horizontalna,

33

nagibna osovina postavljena iznad azimut osovine ili horizontalnog prstenastog postolja.

Kombiniranjem dviju osi svaka lokacija iznad zemljine hemisfere može biti istaknuta. Visinsko-

azimutni sustav može se kontrolirati putem kompjutora ovisno o očekivanoj orijentaciji Sunca ili

može koristiti senzore za traganje koji kontroliraju motorni pogon za orijentaciju heliostata

prema Suncu. Ovakav način postavljanja koristi se i za orijentiranje paraboličkih kolektora sa

Sterling-ovim motorom. Zbog kompliciranog gibanja Sunca po nebu i često puta velikih

udaljenosti između heliostata i prijemnika, potrebna je visoka razina preciznosti za pravilno

usmjeravanje sunčevih zraka na prijemnik, jer i najmanja pogreška kuta će dovesti do gubitka

veće količine energije.

Slika 3.4. Dvoosni sustav praćenja Sunca, vertikalni stup (lijevo) i horizontalno postolje (desno)

3.7.3. Aktivni pogon sustava za praćenje Sunca

Upravljački sklop reagira na smjer Sunca, te usmjerava sustav za praćenje koristeći

motore i zupčanike. Aktivni dvoosni sustavi za praćenje koriste se za orijentiranje heliostata.

Kako je svaki heliostat u velikom polju heliostata individualno usmjeren, heliostati se

kontroliraju programski, centralnim računalnim sustavom koji omogućava gašenje sustava prema

potrebi u slučaju prevelikog opterećenja vjetra.

Kolektor može biti upravljan vlastitim sustavom za praćenje Sunca. Takav upravljački

skolop se sastoji od svjetlosnih senzora odnosno fotodioda, različito postavljenih tako da nema

34

napona na izlazu ukoliko primaju istu količinu svjetlosti. Mehanički gledano, morale bi trebali

biti postavljene tako da tvore kut od 90° kako bi pokrili upravljanje u dvije osi. [8]

Budući da motori troše energiju, želi ih se samo nužno koristiti. Dakle, umjesto u

kontinuiranom pokretu, heliostat se pomiče u diskretnim koracima. Isto tako, ako je zračenje

ispod određenog praga ne bi se dovoljno proizvelo energije da bi opravdalo preusmjeravanje.

Ovo također vrijedi kad nema dovoljne razlike u zračenju iz jednog i drugog smjera, što se

događa kad iznad prolaze oblaci. Treba paziti na preveliku osjetljivost sustava za praćenje Sunca

kako se heliostat nebi stalno pomjerao i tako trošio energiju tijekom oblačnih razdoblja. [8]

3.7.4. Kronološki sustav za praćenje Sunca

Kronološki sustav za praćenje Sunca radi na principu zakretanja heliostata u smjeru

suprotnom zemljinoj rotaciji i jednakim omjerom. Zapravo omjeri nisu sasvim jednaki, jer kako

Zemlja putuje oko Sunca, promjena položaja Sunca u odnosu na Zemlju po 360° svake godine ili

365,24 dana. Kronološki sustav je vrlo jednostavan i potencijalno vrlo precizan sustav praćenja

posebno za korištenje u polarnom sustavu za praćenje. Način upravljanja može biti vrlo

jednostavan kako se pogonski uređaj okreće s prosječnom stopom od jednog okreta po danu (15°

po satu). U teoriji, heliostat može rotirati u potpunosti, pod pretpostavkom da postoji dovoljno

slobodnog prostora za potpunu rotaciju i pod pretpostavkom da uvijanje kabela nije problem.

Heliostat je jednostavno vratiti na jutarnji položaj, što se može obaviti u bilo koje vrijeme

između sumraka i zore. [8]

35

4. PARABOLIČNE PROTOČNE TERMOELEKTRANE

Sve parabolične protočne elektrane koje su trenutno u komercijalnoj upotrebi koriste

sintetičko ulje kao medij za prijenos topline od kolektora do izmjenjivača topline, gdje se voda

zagrijava, isparava i pregrijava. Pregrijana para pokreće parnu turbinu koja pogoni električni

generator. Nakon što se voda ohladi i kondenzira vraća se u izmjenjivač topline.

Od koncentrirajuće solarne tehnologije parabolične protočne elektrane su

najkompetentnije i čine većinu trenutnih komercijalnih postrojenja. Većina postojećih

postrojenja imaju malo ili nimalo toplinskih spremnika i oslanjaju se na fosilna goriva za rezervu

snage. Na primjer, sva koncentrirajuća solarna postrojenja u Španjolskoj koriste 12% do 15%

godišnje proizvodnje električne energije iz prirodnog plina. Neke novije elektrane imaju

značajne kapacitete spremnika topline. [1]

Parabolični protočni i fresnelovi kolektori reflektiraju zračenje na apsorber pozicioniran u

žarišnoj liniji koncentratora. Kolektor prati Sunce u jednoj osi (Slika. 4.1.), zbog toga je

geometrijski faktor koncentracije od 15 do 30, te je znatno manji od dvoosnih kolektora. To je

razlog nižih temperatura postignutih u odnosu na solarni toranj. Međutim, ovaj nedostatak

kompenziraju manji specifični troškovi, jednostavnija struktura te jeftinije i lakše održavanje.

Sastavni elementi paraboličnih termoelektrana su kolektor, apsorber, medij za prijenos topline i

pogonskog bloka. [1]

Slika 4.1. Linijski koncentrirajući kolektori a) parabolični protočni i b) fresnelov kolektor.

36

4.1. Kolektori

Kolektori su dugi od 100 do 150 m s jednoosim sustavom za praćenje. Srednji godišnji

gubici paraboličnih protočnih kolektora variraju između 10 i 13%, dok je kod fresnelovih

kolektora vrijednost dvostruko veća. Nakon optičkih i toplinskih gubitaka unutar kolektora 40-

70% upadnog zračenja na zrcalu može se tehnički iskoristiti. Postotak ovisi o dizajnu, veličini

polja i zemljopisnoj lokaciji elektrane. [1]

4.1.1. Parabolični protočni kolektor

Parabolični protočni kolektor karakterizira parabolični reflektor koji usmjerava upadno

zračenje na cijev pozicioniranu u žarišnoj liniji (Slike 4.1.a) i 4.2.). Reflektor se može sastojati

od jedne reflektirajuće površine (zrcala) ili više zakrivljenih zrcala koji se slože u kučište,

potonja varijanta komercijalno se primjenjuje. Kolektori su montirani na nosivu strukturu za

praćenje Sunca uzdužnom osi.

Slika 4.2. Parabolični protočni kolektor.

37

Zrcala se sastoje od posrebrene stražnje strane stakla s malo željeza za postizanje visokih

vrijednosti reflektivnosti sunčevog spektra. Kad su zrcalni segmenti čisti solarna reflektivnost

iznosi oko 94%. Budući da je staklo otporno na vremenske uvjete reflektivnost ostaje praktički

nepromijenjena. Jedan kolektor sastoji se od niza kolektorskih elemenata 12 m svaki. Najveći

kolektor izgrađen do danas (Skal-ET) sastoji se od 12 kolektorskih elemenata (6 na svakoj strani

središnjeg pogonskog pilona). Ima ukupnu dužinu od 150 m i otvor širine 5,7 metara. Svaki

kolektor je opremljen sa senzorom kutnog položaja za praćenje položaja Sunca. Prvi kolektori su

bili opremljeni električnim motorima ili kabelskim vitlima kao pogonom. Za novije LS-3 i

EuroTrough kolektore koriste se jeftiniji i učinkovitiji hidraulički pogoni. Zbog svoje specifične

geometrije parabolični protočni kolektori su skupi, međutim, u posljednjih nekoliko godina

tankoslojna (thin-film) nanotehnologija je značajno smanjila trošak paraboličnih zrcala. [1]

4.1.2. Fresnel kolektor (LFR - Linear Fresnel Reflectors)

Fresnelov kolektor (LFR - Linear Fresnel Reflectors) je aproksimirani profil parabole s

manjim segmentima (Slika 4.1. b) i 4.3.). Manji segmenti su pojedinačna duga ravna ili blago

zakrivljena zrcala približno širine do 2 m, tako da reflektiraju zračenje u zajedničku fiksnu

žarišnu liniju, što dovodi do njihove niže cijene. Svi segmenti su montirani u istoj ravnini (blizu

tla ili na nosivu strukturu). Zbog njihove manje širine izloženi su manjem opterećenju vjetra u

odnosu na parabolične protočne kolektore. Međutim, različiti segmenti mogu se zasjenjivati

međusobno. Zbog svoje specifične geometrije, fresnel kolektori imaju manji faktor koncentracije

i manju optičku učinkovitosti u usporedbi s paraboličnim protočnim kolektorima. Takvi gubici

mogu se djelomično kompenzirati naizmjeničnim pozicijama zrcala. Svaki reflektirajući segment

rotira oko svoje osi, te mogu biti pokretani zasebno ili kao grupa. Time zahtijevaju sofisticiraniji

upravljački sustav od paraboličnih protočnih kolektora, potrebno je više pogonskih urađaja. To je

razlog zašto su takvi kolektori do danas testirani na manjem broju, prvi su se komercijalno počeli

primjenjivati od 2004. u Liddell-i, Australiji. Glavna prednost fresnelovih kolektora je

jednostavan dizajn fleksibilno savijenih zrcala i fiksni apsorber, čime se eliminira potreba i

trošak fleksibilnih cijevi medija za prijenos topline. Fiksni apsorber zahtijeva niže troškove

ulaganja i olakšava čiščenje i održavanje.

38

Slika 4.3. Fresnelov kolektor

4.1.3. Kompaktni Fresnel kolektor (CLFR – Compact Linear Fresnel Reflectors)

Noviji dizajn, poznat kao kompaktni fresnelov kolektor (CLFR - Compact Linear Fresnel

Reflectors), koristi dva paralelna apsorbera za svaki red zrcala te tako zahtjeva manju površinu

od paraboličnih protočnih kolektora (Slika 4.4.). Klasični fresnelov kolektor ima samo jedan

apsorber po fresnelovom kolektoru što smanjuje opcije orijentacije određenih reflektora. Budući

da kompaktni fresnelov kolektor ima dva apsorbera koji su dovoljno blizu jedan drugome,

pojedini dio kolektora će imati mogućnost usmjeravanja sunčevog zračenja na najmanje dva

apsorbera. Ovaj dodatni faktor daje mogućnost gušće postavljenog polja, jer se pojedini dijelovi

kolektora mogu postaviti bez međusobnog zasjenjivanja, čime se dobiva više energije usprkos

efikasnosti manjoj od 20%.

Solarne elektrane s kompaktnim fresnelovim kolektorima nude smanjenje troškova u

svim elementima solarnog polja. Smanjeni troškovi potaknuti su napretkom tehnologije.

Značajke koje poboljšavaju isplativost ovog sustava u usporedbi s paraboličnim protočnim

kolektorima uključuju smanjene strukturne troškove, crpne gubitke i jeftino održavanje. Petlja

prijenosa topline je odvojena od kolektorskog polja, time izbjegava troškove fleksibilnih

visokotlaćnih cijevi potrebnih kod paraboličnih kolektora.

39

Slika 4.4. Kompaktni fresnelov kolektor

4.2. Apsorber

Kao apsorber se koriste horizontalno postavljene cijevi u žarišnoj liniji kolektora, za

fresnelove kolektore može biti grupa cijevi zbog njihove šire žarišne linije. Današnji parabolični

protočni kolektori kao apsorbere koriste cijevi od nehrđajućeg čelika koji se nalaze u

vakuumiranim staklenim cijevima kako bi se smanjili gubici topline (Slika 4.5.). Vakuum služi i

kako bi zaštitio osjetljivi visoko selektivni premaz. Premaz je dizajniran kako bi omogućio

apsorpciju visokih razina sunčevog zračenja, dok emitira vrlo malo infracrvenog zračenja. Takav

selektivni premaz ostaje stabilan i do temperature 500 °C, apsorpcija solarnog zračenja je iznad

95%, a na temperaturi od 400 °C zračenje je ispod 14%.

40

Slika 4.5. Apsorberska cijev paraboličnog protičnog kolektora.

Dokazani dizajn apsorbera (Slika 4.6. a)), Slika 4.6. b) i c) pokazuju dvije dodatne

varijante koje koriste sekundarni koncentrator i grupu cijevnih apsorbera. Obje opcije su

osmišljene da odgovaraju optici fresnevovih kolektora.

Slika 4.6. Apsorber paraboličnog protočnog kolektora a) i fresnelovog kolektora b) i c) (šira

žarišna linija).

41

4.3. Medij za prijenos topline

Sintetička ulja se primjenjuju kao medij za prijenos topline u apsorberskim cijevima.

Zbog ograničene toplinske stabilnosti ulja, maksimalna radna temperatura je ograničena na 400

°C. Tolika temperatura zahtijeva da ulje bude pod tlakom (12 do 16 bara). Apsorberske cijevi,

ekspanzijski rezervoar i izmjenjivač topline moraju biti pod tlakom, te su potrebna relativno

visoka ulaganja. [1]

Zamjena za ulje može biti rastaljena sol kao medij za prijenos topline. Rastaljena sol ima

prednosti nižih specifičnih troškova, veći toplinski kapacitet i time potencijalno veću radnu

temperaturu. S druge strane, ima veću viskoznos i veću temperaturu taljenja te zahtijevaju

početno zagrijavanje.

Istraživanja izravnog generiranja pare unutar apsorberskih cijevi su očekivala veliko

smanjenje troškova i potencijalno veću učinkovitost. Prednosti su veća radna temperatura pare i

to što ne postoji petlja sekundarnog prijenosa topline i izmjenjivača topline. Očekivani problemi

vezani s isparavanjem vode u horizontalnoj cijevi zbog dvosmjernog strujanja i time različitog

prijenosa topline mogu riješiti dostupne tehnologije kotlova s prisilnom cirkulacijom s visokom

recirkulacijskom stopom i separatora pare. Moguće je izravno generiranje zasićene pare po redu

koncentrirajućih kolektora. Međutim, visoki tlak pare (50 do 100 bar) zahtijeva deblje stijenke

apsorbera, tako da bi široki snopovi apsorberskih cijevi mogli biti prikladaniji nego pojedinačna

cijev apsorbera. [1]

4.4. Kolektorska polja

Kolektorska polja se sastoje od određenog broja petlji približne dužine 600 metara svaka.

Petlje su na jedanom kraju spojene na ulaznu liniju (hladnu) a drugi na izlaznu liniju (vruću)

svakog reda kolektora. S obzirom na teren poseban naglasak mora biti stavljen na udaljenosti

između pojedinih kolektorskih redova. Udaljenost određuje sjenčanje tijekom jutarnjih i

večernjih sati, a time i odgovarajuće smanjenje cijelog terena. Troškovi zemljišta i cjevovodi kao

i toplinski gubici i gubici u pumpama se moraju uzeti u obzir. Budući da efekt sjenčanja također

ovisi o geografskoj širini, svako polje mora biti optimizirano s obzirom na specifične uvjete

42

mjesta. Udaljenost između redaka paraboličnih protočnih kolektora obično iznosi tri puta širina

otvora. Kolektori su postavljeni vodoravno, nagib od nekoliko posto je dopušten. Međutim, veće

neravnine moraju se poravnati. [1]

Ostvariv toplinski izlaz cijelog polja je ograničen tlačnim gubicima medija za prijenos

topline i troškovima cjevovoda. Trenutno, najveći ekonomski razuman toplinski kapacitet

solarnog polja sa sintetičkim uljem procjenjuje se na oko 600 MW. [1]

4.5. Izgrađene parabolične protočne termoelektrane

4.5.1. SEGS (Solar Electricity Generation Systems)

Najveći udio solarne termalne električne energije se proizvodi paraboličnim protočnim

termoelektranama. U pustinji Mojave u Californiji, u SAD-u devet tzv. SEGS (Solar Electricity

Generation Systems) postrojenja je izgrađeno, u razdoblju od 1985. do 1991., (Tablica 4.1.)

ukupnog električnog kapaciteta 354 MWe instalirane snage. Sve solarne termoelektrane su

korištene za proizvodnju električne energije za komercijalnu upotrebu. [1]

SEGS elektrane imaju ukupno 936.384 zrcala i pokrivaju više od 647 hektara. Kad bi se

parabolični kolektori postavili u liniju, bila bi duljine 369 km.

Kao primjer troškova, u 2002., za izgradnju jedne parabolične protočne termoelektrane

snage 30 MW bilo bi potrebno 90 milijuna dolara, a njen rad i troškovi održavanja oko 3

milijuna dolara godišnje (4,6 centi po kilovatsatu). Uz životni vijek od 20 godina, rad,

održavanje, investicijske kamate i amortizacija utrostručila bi se cijena, oko 14 centi po

kilovatsatu.

43

Tablica 4.1. Tehnički parametri paraboličnih protočnih termoelektrana. [1]

SEGS 1 SEGS 2 SEGS 3 SEGS 4 SEGS 5

Godina izgradnje 1985 1986 1987 1987 1988

Snaga [MW] 14 30 30 30 30

Tip kolektora LS1/LS2 LS1/LS2 LS2 LS2 LS2/LS3

Broj kolektora 608 1054 980 980 1024

Ukupna površina kolektora [m2] 82 960 190 338 230 300 230 300 250 560

Max. Temp. Medija [°C] 307 316 349 349 349

Toplinski kapacitet [MWh] 120

SEGS 6 SEGS 7 SEGS 8 SEGS 9

Godina izgradnje 1989 1989 1990 1991

Snaga [MW] 30 30 80 80

Tip kolektora LS2 LS2/LS3 LS3 LS3

Broj kolektora 800 584 852 888

Ukupna površina [m2] 188 000 194 280 464 340 483 960

Max. Temp. Medija [°C] 390 390 390 390

Sve SEGS termoelektrane koriste termo ulje koje se pumpa kroz polje solarnih kolektora.

SEGS 1 postrojenje koristilo je mineralno ulje da bi moglo raditi na niskim temperaturama te ne

mora biti pod tlakom. Potreban je pregrijavač pare (superheating) za pogon parne turbine koji se

sastoji od kotla na prirodni plin te osigurava konstantan pogon cijelog postrojenja. Korišteno

mineralno ulje je vrlo jeftino te je dodan toplinski spremnik kapaciteta 120 MWh. S obzirom na

toplinski kapacitet i snagu koju SEGS 1 postrojenje posjeduje može se izračunati da je toplinski

kapacitet dovoljan za nešto više od 8,5 sati rada. Sljedeća SEGS postrojenja koriste sintetička

ulja i izmjenjena im je konfiguracija. Sintetička ulja se i danas koriste te omogućuju maksimalne

operativne temperature do 400 °C, ali se moraju držati pod tlakom od najmanje 12 bara. Od

44

SEGS 6 pa nadalje, dodan je solarni dogrijavač pare (re-heater) koji s poboljšanim parametarima

pare povećava toplinsku učinkovitost kružnog procesa od 30,6 do 37,5%. [1]

VT NT

Dogrijavač pare

Pumpa

Generatorpare

Predgrijavanjevode

Pregrijavačpare

Toranj

Kondenzator

Pumpa

Bojler Prirodni plin

Dogrijavačpare

G

Generator

391°C

28

3°C

Ras

talje

na

sol

371° C, 100 bar

51

0°

C

37

1°

C, 1

7 b

ar

Slika 4.7. Shema parabolične protočne solarne termoelektrane (SEGS 6 i 7).

Potrebna para generirana je izravno ili neizravno u sekundarnom toplinskom krugu (Slika

4.7.). Tipični parametri za neizravno generairanje pare su približno 100 bara pri 371 °C (zbog

temperaturne granice medija za prijenos topline) ili za izravno generiranje pare 80 bar pri 430

°C. U usporedbi s konvencionalnim parnim termoelektranama naznačeni parametri su relativno

niski. Ipak, to je u velikoj mjeri nadoknađeno tehničkim poboljšanjima. Međutim, za elektrane

ovog kapaciteta prilično su neobična procesna poboljšanja, kao što su srednji pregrijavač pare

(superheating) i stupnjevito predgrijavanje vode. Unatoč nepovoljnim parametrima pare, SEGS 4

-6 postrojenja s 30 MW postižu učinkovitosti do 38%. Slika 4.8. prikazuje proizvodnju

električne energije u kWh/m2 po danu u ovisnosti oizravnom sunčevom zračenju (DNI) u

kWh/m2 po danu. [1]

45

Slika 4.8. Proizvodnja električne energije SEGS elektrana u ovisnosti o izravnom sunčevom

zračenju.

Hibridizacijom je moguća integracija dodatnog kotla na fosilna goriva i / ili biomasu

kako bi se osigurao neprekidan rad elektrane za vrijeme promjenjivog solarnog zračenja ili bez

solarnog zračenja (oblačno ili noć). Također, moguće je dodati paralelne generatore pare, dodatni

tehnički napor omogućuje bolje parametre pare a time i veću električnu učinkovitost. Koncept

SEGS postrojenja također se primjenjuje za novije parabolične protočne elektrane čija upotreba

osigurava solarnu energiju bez velikih dodatnih kotlova.

4.5.2. Andasol

Andasol predstavlja prvu solarnu termoelektranu u Europi koja koristi parabolične

kolektore za dobivanje električne energije koja se sastoji od tri zasebne elektrane. Solarno polje

Andasol-1 se sastoji od 209 664 paraboličnih reflektora koji zauzimaju površinu od 510 120 m2

(oko 70 nogometnih igrališta), i proizvodi 180 GWh godišnje. Andasol-1 ima instaliranu snagu

od 50 MW, nalazi se na nadmorskoj visini od 1 100 metara, a godišnja insolacija je oko 2 200

kWh/m2 godišnje. Andasol-2 i 3 su gotovo identične prvoj. S obzirom da su kolektori postavljeni

uzduž pravca sjever – jug, prate kretanje Sunca od istoka do zapada. Pomjeranje kolektora je

stalno, a najveći kosinusni gubici (Lambertov zakon) je u podne, a najmanji u jutarnjim i kasnim

46

popodnevnim satima. Elektrana Andasol 3 ima sustav za skladištenje topline koji omogućuje

proizvodnju električne energije čak 8 sati za vrijeme oblačnog vremena ili noću. [9]

4.5.3. Puerto Errado 2 (PE2)

Puerto Errado 2 (PE2) sastoji se od 28 redova (dužine 940 m) fresnel kolektora s

površinom zrcala od 302.000 m2, što je najveća svjetska operativna solarna elektrana s

fresnelovim kolektorima (Slika 4.9.). Fresnel kolektori proizvode paru temperature 270 °C i tlaka

55 bara s izlaznom toplinskom snagom od 150 MWth. PE2 proizvodi električnu energiju

isključivo solarnim zračenjem, te je instalirane snage 30 MWe.

Slika 4.9. Solarna elektrana PE2 s fresnelovim kolektorima instalirane snage 30 MWe.

47

4.6. Solarna integrirana u kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated

Solar Combined Cycle System)

Kako bi se poboljšala dostupnost, učinkovitost i upravljivost, solarno polje može se

ugraditi u kombiniranu elektranu. Para dobivena solarnom energijom pregrijava se još jednom do

temperature od približno 530 °C u kotlu. Ako se polje solarnih kolektora integrira u parni ciklus,

para dobivena solarnom energijom prenosi se na visokotlačni ciklus generatora pare (Slika

4.10.). Potrebna energija fosilnih goriva time je smanjena, tako se više pare može generirati s

istom količinom fosilnog goriva ili s manjom količinom fosilnih goriva dobiti istu količinu pare.

U ovom načinu rada, plinska turbina može biti u djelomičnom opterećenju, solarno polje tako

štedi energiju fosilnih goriva. Udio solarne energije je između 3 i 10%. [1]

Slika 4.10. Solarna integrirana u kombinirani kružni proces (ISCCS - Integrated Solar

Combined Cycle System).

48

4.7. Integracija u konvencionalnu elektranu

Integriracija solarne energije u konvencionalne elektrane je uključivanje sunčeve topline

u predgrijavanje napojne vode konvencionalnih postrojenja parnih elektrana. Za predgrijavanje

napojne vode, u uobičajenom slučaju potrebno je izvaditi paru iz turbine, koja tada nije dostupna

za ekspanziju u turbini. Ako je solarna toplinska energija dostupna za predgrijavanje vode, para

se može iskoristiti za pokretanje turbine. U ljeto 2004., prva faza zagrijavanja napojne vode

solarnom energijom izvedena je pomoću fresnelovih kolektora koji je isporučen u Liddell,

Australija. Za konačnu konfiguraciju planirano je da posljednji visoko tlačni predgrijavač

(preheater) isključivo radi na solarnu energiju. Ova elektrana će se testirati i s dodatnim

generatorom pare. [1]

49

5. SOLARNI TORANJ (CRS – Central Receiver System)

Solarni toranj (koji se naziva sustav sa središnjim prijamnikom) koristi zrcala (heliostate)

koji prate putanju Sunca u dvije osi, te reflektiraju izravno sunčevo zračenje na prijemnik

centralno postavljen na toranj (Slika 5.1.). Prijemnik pretvara energiju zračenja u toplinu i

prenosi na medij za prijenos topline (zrak, rastaljena sol) koji u generatoru pare proizvodi paru

koja pogoni konvencionalnu parnu turbinu. Neki komercijalni solarni tornjevi izravno generiraju

paru. Da bi se osigurali konstantni parametri i konstantan protok radnog medija zbog vremenski

promjenjivog sunčevog zračenja dodaje se spremnik topline ili dodatni kotao na fosilna goriva

(poput prirodnog plina) ili obnovljivih izvora energije (biomase).

Slika 5.1. Solarni toranj PS20 snage 20 MW.

Za toplinski kružni proces solarnih toranjeva primjenjuju se uglavnom komponente

komercijalno dostupne iz konvencionalnih termoelektrana. Solarni tornjevi postižu vrlo visoke

50

temperature, čime se povećava učinkovitost pretvorbe topline u električnu energiju. Ovakav

pristup koncentriranoj solarnoj energiji je vrlo fleksibilan, može se birati između raznih

heliostata, prijemnika, medija za prijenos topline i pogonskog bloka. Neke elektrane koriste više

tornjeva za snabdijevanje jedanog pogonskog bloka. Trenutno ostvarivi tlakovi i temperature

radnih medija korištenih za solarne toranjeve su u skladu s trenutnim snagama termoelektrana.

Snage solarnh toranjeva su u rasponu od 5 do 200 MW na taj način mogu biti izgrađene

korištenjem komercijalno dostupnih turbina i generatora, uključujući i svih pomoćnih sustava.

5.1. Heliostati

Heliostati su reflektirajuće površine (zrcala) spojeni na dvoosini sustav praćenja Sunca

koji osiguravaju da se sunčevo zračenje reflektira prema centralnom prijemniku tijekom dana.

Heliostati često koncentriraju zračenje pomoću zakrivljenih plohi ili odgovarajuće orijentacije

pravilnih ploha, tako da se gustoća solarnog zračenja povećava. Heliostati se sastoje od zrcala,

sustava za praćenje Sunca koji je opremljen pogonskim motorom, temeljima i kontrolnom

elektronikom. Orijentacija pojedinih heliostata obično se izračunava na temelju trenutnog

položaja Sunca, prostornog položaja samog heliostata i centralnog prijemnika. Ciljna vrijednost

se elektronički prenosi komunikacijskom linijom odgovarajućim pogonskim motorima.

Informacija se obnavlja svakih nekoliko sekundi. Veličina koncentrirajuće površine dostupnih

heliostata kreće se između 20 i 150 m2, do sada najveći heliostat površine je 200 m2. [1]

Za polje heliostata računa se oko pola cijene solarnih komponenti za takvu elektranu. To

je razlog zašto se ulažu ogromni napori da se razvije heliostat dobre optičke kvalitete, visoke

pouzdanosti, dugog životnog vijeka i niskih specifičnih troškova. Iz ekonomskih razloga postoji

tendencija za proizvodnju heliostata s površinom u rasponu između 100 i 200 m2, te veće.

Međutim, postoji pristup proizvodnji manjih heliostata kako bi se smanjili troškovi učinkovitom

masovnom proizvodnjom.

Heliostati su obično centralno kontrolirani i napajani električnom energijom. Međutim,

razvijeni su autonomni heliostati koji su pod lokalnom kontrolom. U tom slučaju energija

potrebna za kontrolu procesora i pogona osiguravaju fotonaponske ćelije montirane paralelno sa

zrcalima.

51

Individualno kontrolirani heliostati se koriste kako bi kontrolirali gustoću toka solarnog

zračenja na prijemniku. Zbog tog razloga nisu svi heliostati fokusirani na istoj točki prijemnika,

a njihovom kontrolom se osigurava glatka distribucija toka zračenja po cijeloj površini

prijemnika. [1]

Na temelju kretanja u posljednjih nekoliko godina razlikujemo ravne (faceted) i membranske

heliostate (Slika 5.2.).

Slika 5.2. Ravni (lijevi) i membranski (desni) heliostat.

5.1.1. Ravni heliostat

Ravni heliostat sastoji se od određenog broja reflektirajćih površina (zrcala) montirane na

rešetkastu konstrukciju koja je smještena na nosivi stup. Reflektirajuća površina se sastoji od

pojedinačnih zrcala veličine između 2 i 4 m2. Orijentacija pojedinih zrcala na montažnoj

konstrukciji (nagib) je različit za svaki heliostat unutar heliostatskog polja, a rezultat toga je vrlo

skup. Heliostati prate Sunce u dvije osi postavljene okomito jedna na drugu (najčešće montažni

stup i glavna vertikalna os) prema željenom azimutu i kutu elevacije. Ulažu se veliki napori za

52

umanjivanje utjecaja nagiba i broj pojedinih pogona. Heliostat prikazan na slici 5.2. (lijevo) kao

primjer ima koncentrator širine 13 i visine 9 metara. Veličina pojedinih zrcala je 3 × 1 m i

ukupne težine bez temelja 5 tona. [1]

5.1.2. Membranski heliostati

Kako bi se izbjegla ili smanjila problematika montaže i proizvodnje pojedinačnih zrcala

te istovremeno dobila visoka reflektivnost razvijeni su rastegnuti membranski heliostati.

Reflektirajuća površina sastoji se od bubnja, koji se sastoji od metalnog prstena i s tlakom

rastegnuta membrana, pričvršćena na prednjoj i stražnjoj strani metalnog prstena. Za tu svrhu

koriste se plastične folije ili metalne membrane. U slučaju metalnih membrana, karakterizira ih

znatno duži životni vijek, prednja membrana je prekrivena tankim zrcalima kako bi se postigla

željena refleksija. [1]

Unutar koncentratora vlada blagi vakuum (nekoliko milibara) stvoren vakuumskim

propelerom ili vakuumskom pumpom. Vakuum mijenja oblik membrane do te mjere da se zrcalo

pretvara u koncentrator. Ostali dizajni koriste središnji mehanički ili hidraulički utjecaj za

deformaciju membrane. Obje konfiguracije su povoljne kako se žarišna duljina može lako

postaviti pa i tijekom rada. Vjetar ima nepogodan utjecaj na optičku kvalitetu heliostata te u

slučaju korištenja vakuumskog ventilatora potrošnja energije u ventilatoru. [1]

Slika 5.2. (desno) i 5.3. prikazuje primjer heliostata metalne membrane opremljen

jednostavnim cijevnim okvirom pokretan sa šest kotača na prstenastom temelju za rotaciju

vertikalne osi, a dva vodoravno postavljena ležaja formiraju horizontalnu os. Pomjer

koncentratora heliostata prikazanog na slici 5.3. (ASM 150) sa zrcalom površine 150 m2 iznosi

14 metara. Debljina koncentratora je 0,75 m i težine oko 7,5 t.

53

Slika 5.3. Membranski heliostat ASM 150.

5.2. Polje heliostata i toranj

Izgled polja heliostata određene su tehničkim i ekonomskim optimizacijama. Heliostat

smješten najbliže tornju ima najniže sjenčanje, a heliostat smješten sjeverno na sjevernoj

hemisferi (ili južno na južnoj hemisferi) pokazuju najniže kosinus gubitke (cosine loss).

Heliostati postavljeni daleko od tornja zahtijevaju vrlo precizno praćenje Sunca i ovisno o

zemljopisnom položaju moraju se postaviti šire od susjednih heliostata zbog većeg sjenčanja.

Ekonomski isplativu veličinu polja utvrđuju cijena zemljišta, sustav praćenja i orijentacije. [1]

Visina tornja na kojem je prijemnik montiran određuje tehničke i ekonomske

optimizacije. Viši tornjevi su općenito povoljniji jer moguće postaviti veće i gušće polje

heliostata zbog nižih gubitaka sjenčanja. Međutim, prednost se umanjuje višim zahtjevima u

pogledu preciznijeg sustava praćenja Sunca postavljenog na pojedinim heliostatima, troškova

toranja i cjevovoda kao i crpnih i toplinskih gubitaka. Prosječni tornjevi imaju visinu od 80 do

100 metara. Struktura tornjeva može biti rešetkasta i betonska. Troškovi za cijevi i tehničkog

izazova smještanja parne turbine na vrh tornja mogu se izbjeći sekundarnim reflektorom

instaliranog na vrh tornja koji usmjerava direktno zračenje na prijemnik pri tlu. Iako ova mjera

pomaže pri smanjenju troškova za toranj, cjevovoda i parne turbine ukupna učinkovitost

54

heliostatskog polja je smanjena zbog dodatnih optičkih gubitaka uzrokovanih sekundarnim

reflektorom. [1]

5.3. Prijemnik (receiver)

Prijemnik solarnog toranja služi za pretvaranje energije zračenja, preusmjerenu i

koncentriranu poljem heliostata, u tehnički upotrebljivu energiju. Uobičajena gustoća toka

zračenja varira između 600 i 1000 kW/m2. Prijemnike razlikujemo prema korištenom mediju za

prijenos topline (zrak, rastaljena sol, voda/para, tekući metal) i geometriji prijemnika (šuplji,

cilindrični i konusni). [1]

5.3.1. Prijemnik na vodu/paru

Prvi solarni toranjevi (Solar One u Kaliforniji, CESA-1 u Španjolskoj) su cilindričnog

prijemnika. Dizajn, u velikoj mjeri odgovara cilindričnim prijemniku na rastaljenu sol

prikazanog na slici 5.4.. Slično konvencionalnim parnim procesima, voda isparava, a dijelom se

pregrijava u cilindričnom prijemniku. Budući da je pregrijana para sklona nepovoljnom

prijenosu topline te zbog činjenice da operacije pokretanja pogona ili djelomičnog opterećenja

zahtijevaju komplicirane kontrole upravljanja, ovakav pristup trenutno se više ne razvija.

Navedene poteškoće djelomično se mogu spriječiti izbjegavanjem pregrijavanja pare (zasićene

pare). Međutim, pod tim parametrima pare parna turbina radi s niskom efikasnošću zbog

termodinamičkih ograničenja. [1]

5.3.2. Prijemnik na rastopljenu sol

Problematika prijenosa topline s vertikalnim cilindričnim prijemnikom, primjer prikazan

na slici 5.4., djelomično se može izbjeći dodatnim prijenosnim toplinskim krugom. Toplinski

medij korišten u sekundarnom prijenosnom krugu trebao bi imati visoki toplinski kapacitet i

dobru toplinsku vodljivost. U skladu s tim zahtjevima koristi se rastaljena sol koja se sastoji od

natrijevog ili kalijevog nitrata (NaNO3, KNO3). Za obje opcije, zahvaljujući dobroj toplinskoj

55

provodljivosti, medij za prijenos topline dodatno služi kao medij za pohranu topline i stoga može

kompenzirati fluktuacije dostupnog zračenja. [1]

Jedan nedostatak prijemnika na rastopljenu sol je što sol mora biti tekuća i tijekom

vremena kada nema sunčevog zračenja, u suprotnom bi se skrutnila i uništila optemu. To

zahtijeva konstantno zagrijavanje cijelog dijela instalacije koji je ispunjen soli (spremnike, cijevi,

ventile) i time povećava potrošnju same elektrane ili u potpunosti isprazniti dio instalacije

ispunjen soli. Visoko korozivni plin korištenih soli ima štetan učinak, zbog neželjenog

isparavanja malih količina soli koje nastaje lokalnim pregrijavanjem te se ne može u potpunosti

isključiti. [1]

Slika 5.4. Vertikalni cilindrični prijemnik koristi rastaljenu sol kao medij za prijenos topline.

56

5.3.3. Otvoreni zračni prijemnik

Koncentrirana solarna radijacija pada na apsorberski materijal koji se sastoji od čelične

žice ili porozne keramike. Takve prijemnike karakterizira visoki omjer apsorberske površine i

puta zraka koji je medij za prijenos topline. Ambijentalni zrak se usisava ventilatorom i prodire

kroz ozračenu čeličnu žicu ili poroznu keramiku (Slika 5.5.). Zrak apsorbira toplinu s

apsorberske površine koja je obasjana poljem heliostata. Ulazući zrak preuzimanjem topline

hladi apsorbersku površinu. Zbog učinka hlađenja apsorberska površina obasjana sunčevim

zračenjem je hladnija od unutrašnjosti apsorberske površine kojoj se toplina prenosi protokom

vrućeg zraka. Stoga zrak napuštajući apsorber pokazuje veću temperaturu u odnosu na

temperaturu apsorberske površine ozračenu sunčevim zračenjem, te razlog zašto ova vrsta

prijemnika predstavlja relativno niske toplinske gubitke. Elektrana s otvorenim zračnim

prijemnikom radi pri ambijentalnom tlaku. Karakteristika zraka je mali toplinski kapacitet te su

potrebne velike količine zraka i površine apsorbera. [1]

Zrak kao medij za prijenos topline ima prednosti poput netoksičnosti, nehrđa, nezapaljiv,

lako dostupnan i lako se rukuje. Nedostatak je niski toplinski kapacitet te zahtijeva veliku

površinu za prijenos topline koja je izvediva s obujmom prijemnika. Zrak zbog svoje male mase

osigurava glatko pokretanje postrojenja.

Slika 5.5. Otvoreni zračni prijemnik prema principu Phoebus.

57

5.3.4. Zatvoreni (stlačeni) zračni prijemnik

Prijemnici solarnih toranjeva mogu biti dizajnirani kao zatvoreni (stlačeni zračni)

prijemnik. Otvor blende kod takvih prijemnika je zatvoren sigurnosnim quartznim prozorom,

tako da radni medij (zrak) se može zagrijati i stlačiti te može biti izravno prebačen u komoru za

izgaranje plinske turbine. Do danas, testirana je skupina zatvorenih zračnih prijamnika

toplinskog kapaciteta do 1 MW na 15 bara. Temperatura dobivenog izlaznog zraka je malo iznad

1000 °C. [1]

5.4. Izgrađeni solarni tornjevi

Prema radnom mediju za prijenos topline, različiti koncepti sustava se primjenjuju. Kako

otvoreni ili šuplji cilindrični prijemnici dostižu radne temperature od 500 do 550 °C oni

uglavnom primjenjuju rankineov kružni proces vodene pare. Para se generira izravno u

prijemniku ili sekundarnim krugom rastaljene soli. [1]

Vrući zrak od oko 700 °C nastaje otvorenim zračnim prijemnikom koji se mogu koristiti

unutar postojećih generatora pare. Ulazna temperatura može biti konstantno održavana

ugrađenim plamenikom na prirodni plin (duct burner), tako da je ovaj koncept posebno pogodan

za hibridizaciju. Izlazni ispuh/zrak se ponovno prenosi na prijemnik pomoću ventilatora tako da

do 60% zraka ponovno cirkulira. [1]

Druga mogućnost je tzv. inverzni proces plinske turbine. Unutar takvog ciklusa otvoreni

zračni prijemnik upuhuje vrući zrak izravno u plinsku turbinu gdje ekspandira. Jedna od

prednosti u odnosu na parni ciklus je puno jednostavniji dizajn. No, do sada takvi ciklusi su

analizirani samo teoretski. [1]

Solar One je solarni toranj snage 10 MWe, sastojao se od 1818 heliostata svaki 40 m2 koji

je bio operativan od 1982-1988 u Kalifornijskoj pustinji Mojave. Ova elektrana je dokazala opću

isplativost solarne energije na megavatnoj skali. Voda je služila kao medij za prijenos topline u

prijemniku. Među ostalim poteškoćama, elektrana je pokazala problem održavanja operacije pri

prolasku oblaka. Slika 5.6. prikazuje karakteristiku proizvodnje električne energije u ovisnosti o

direktnom zračenju. Prema slici 5.6. je vidljivo da s povećanjem direktnog zračenja približno

58

linearno raste proizvedena energija. Prag od kojeg elektrana proizvodi energiju određen je

tehnologijom cilindričnog prijemnika na vodu. Prag se može spustiti pomoću prijemnika na

rastaljenu sol i otvorenim zračnim prijamnikom.

Slika 5.6. Karakteristika solarnog tornja Solar One u Kaliforniji snage 10 MWe.

S ciljem rješavanja problema koji su se javljali sa solarnim tornjem Solar One potonji je

remodeliran u Solar Two postrojenje. Kao medij za prijenos topline i toplinski spremnik

korištena je rastaljena sol koja se sastoji od 40% kalija (K) i 60% natrijevog nitrata (NaNO3).

Zahvaljujući korištenju dodatnog toplinskog spremnika energije (107 MWh) sustav je neovisniji

o dostupnom sunčevom zračenju. Funkcionalna shema solarnog tornja Solar Two je prikazana na

slici 5.7.. Sol se pumpa iz "hladnog" spremnika soli u prijemnik na tornju gdje se zagrijava

reflektiranim sunčevim zračenjem na temperaturu oko 565 °C. Nakon toga, sol dospjeva u

"vrući" spremnik topline, te se vruća sol uzima po potrebi iz skladišta i pumpa u generator pare

koji toplinu rastaljene soli predaje vodi. Voda se u generatoru pare pretvara u paru za pogon

konvencionalne parne turbine. Ekspandirana para kondenzira, te se pumpa u generator pare čime

se zatvara rankineov kružni proces pare. Sol se hladi unutar generatora pare na temperaturu oko

59

290 °C te ponovno dospjeva u "hladni" spremnik topline čime je zatvoren kružni proces

rastaljene soli. [1]

Slika 5.7. Funkcionalna shema Solar Two elektrane sa spremnikom topline na rastopljenu sol.

Koncept omogućuje proizvodnju energije ne samo danju, nego i tijekom cijelog dana,

pod uvjetom dovoljno velikog spremnika energije i polja heliostata. Solar Two omogućuje

proizvodnju električne energije snage 10 MW koji može zadržati do tri sata nakon zalaska Sunca

zahvaljujući spremniku toplinske energije.

Phoebus/TSA/Solair je koncept elektrane s otvorenim zračnim prijemnik koji osigurava

vrući zrak. Vrući zrak prolazi kroz generator pare koji proizvodi pregrijanu paru za pogon

turbine. Slika. 5.8. prikazuje odgovarajući shematski dijagram. [1]

60

Slika 5.8. Shematski prikaz Phoebusa s otvorenim zračnim prijemnikom.

Spaljivanjem prirodnog plina u cijevnom plameniku (duct burner) smješten između

prijemnika i parnog generatora dodaje zraku toplinu ako sunčevo zračenje nije dovoljno za

opskrbu željene količine pare. Phoebus postrojenje tako može ne samo generirati snagu u

vrijeme sunčanih sati nego i tijekom lošeg vremena ili tijekom noći. Električna energija ne ovisi

isključivo o raspoloživom sunčevom zračenju. Od 1993. do 1997. opremljen otvorenim zračnim

prijemnikom i toplinskim spremnikom 3 MW kontinuirano je operativan, sadrži sve komponente

budućeg Phoebus elektrane (tzv. TSA sustav (Technology Program Solar Air Receiver)).

Rezultati ispitivanja takvog sustava pokazali su dobru interakciju komponenti i nisku toplinsku

inerciju koja omogućuje brzo pokretanje elektrane. Daljnje prednosti ovog tehnološkog pristupa

su jednostavna struktura i neproblematičan zrak kao medij prijenosa topline. [1]

Zbog dobrih iskustva s Phoebus/TSA/Solair sustavom Europski konzorcij na čelu

Španjolske tvrtke, planira izgradnju i pogon 10 MW postrojenja pod nazivom PS 10. Opremljenu

otvorenim zračnim prijemnikom na jugozapadu Španjolske 2004. Međutim, koncept je

promijenjen. Elektrana je sada opremljena cilindričnim prijemnikom na zasićenu paru koji

proizvodi paru tlaka 40 bar i 250 °C.

61

Sjeverno polje heliostata podignuto je 2005. - 2006. g. koje se sastoji od 624 ravnih

heliostata (T tip) "Sanlúcar 120" s površinom zrcala 121 m2. Prijemnik je montiran na toranj

približne visine 100 m, koji se sastoji od četiri 5 × 12 m cijevnih panela. Ugrađeni toplinski

spremnik ima korisnu toplinsku energiju od 20 MWh koji dopušta 30 minuta rada na 70%

opterećenja.

Solarna elektrana Tres se temelji na prikupljenom znanju tijekom izgradnje i rada Solar

Two elektrane te razlog naziva projekta "Solar Tres" što je španjolski prijevod za "Solar Three".

Ovaj solarni toranj opremljen je cilindričnim prijemnikom na rastaljenu sol i generatorom snage

15 MW isključivo namijenjena pogonu na solarno zračenje. Sjeverno polje heliostata ima 2494

heliostata svaki površine 96 m2. Korišteni su ravni heliostati (T tip) opremljeni visoko

reflektirajućim zrcalima pojednostavljenog dizajna (solarni množitelj 3). Planirano je da

prijemnik ima toplinski kapacitet 120 MW i spremnik topline 600 MWh koji omogućava 16 h

rad elektrane bez sunčeva zračenja. [1]

Sierra SunTower zauzima oko 8 hektara (20 jutara) u sušnoj dolini na zapadnom dijelu

pustinje Mojave na 35° sjeverne geografske širine. Nalazi se na privatnom poljoprivrednom

zemljištu, te ima 5 MW instalirane električne snage (Slika 5.9.).

Slika 5.9. Solarni toranj Sierra SunTower 5 MWe.

62

Sastoji se od 24.000 heliostata, podijeljenih na četiri podpodručja koji prate Sunce i

reflektiraju solarno zračenje u prijemnik na vrhu šezdesetmetarskog tornja. Svaki heliostat je

površine 1m2, koji su upravljani pomoću kamera (Slika 5.10.) te odgovarajućeg programa

(software). Prijemnik proizvodi paru temperature 440 °C i tlaka 60 bara. Sierra SunTower je

dizajniran za provjeru eSolar tehnologije koja je u najvećoj mjeri bazirana na smanjenje

investicija. To je postignuto heliostatima koji su male visine, čime se izbjegavaju velika

opterećenja vjetra. Konstrukcija je lakša, nisu potrebni veliki kranovi i nije potrebno graditi

temelje. Cijelo heliostatsko polje se proizvodi u tvornici, čime se smanjuju troškovi proizvodnje.

Cijela konstrukcija se sastavlja na mjestu buduće elektrane samo uz pomoć ručnog alata, što

dovoljno govori o brzini i lakoći gradnje.

Slika 5.10. Sustav upravljanja heliostatima pomoću kamera i programa.

63

6. PARABOLIČNI TANJUR

Sustavi paraboličnih tanjura sastoje se od parabolično oblikovanog koncentratora

(tanjura), solarnog prijamnika i najčešće Stirlingovog motora ili mikro turbine povezanog s

generatorom. Parabolični koncentrator prati Sunce u dvije osi tako da reflektira izravno sunčevo

zračenje na prijemnik pozicioniran u fokusu koncentratora. Energija zračenja pretvara se u

toplinu unutar prijemnika te prenosi na Stirlingov motor koji pretvara toplinsku energiju u

mehaničku energiju. Vratilo Stirlingovog motora izravno je spojeno na električni generator koji

pretvara mehaničku energiju u željenu električnu energiju (Slika 6.1.). Za hibridni pogon, sustav

se može zagrijavati paralelno ili uz pomoć plinskog plamenika na prirodni plin ili bioplin.

Slika 6.1. Parabolični tanjur.

64

Ovakav dizajn eliminira potrebni medij za prijenos topline i vodu za hlađenje. Parabolični

tanjuri nude najveću učinkovitost pretvorbe solarne u električnu energiju u usporedbi s ostalim

izvedbama koncentrirajućih solarnih elektrana. Parabolični tanjuri su ograničeni veličinom

(obično nekoliko desetaka kW), a svaki proizvodi električnu energiju samostalno, što znači da su

stotine ili tisuće njih trebno za stvaranje velikih postrojenja. [1]

6.1. Parabolični koncentrator (tanjur)

Parabolični oblik konkavnog zrcala (tanjura) koncentrira sunčevo zračenje u žarišnu

točku. Veličina točke ovisi o preciznosti koncentratora odnosno stanju površine i žarišnoj

udaljenosti. Korišteni koncentratori promjera su maksimalno 25 metara te postižu faktor

koncentracije između 1500 i 4000x što predstavlja izazov kod realizacije zbog visoke cijene.

S obzirom na dizajn koncentratora razlikujemo višedjelni (facetted) parabolični tanjur koji se

sastoji od pojedinih segmenata i jednodjelni parabolični tanjur (full-surface).

Višedjelni koncentratori (Slika 6.2. lijevo) se sastoje od nekoliko zrcalnih segmenata

montiranih na nosivu strukturu. Svaki segment je individualno orijentiran. Zrcalni segmenti

mogu se sastojati od klasičih zrcala ili materijala prekrivenog reflektirajućom folijom. [1]

Jednodjelni koncentrator je parablično oblikovana cijela površina koncentratora za

vrijeme procesa nastajanja (Slika 6.2. desno). Kao i kod membranskih heliostata metalna

membrana ili plastična folija se pričvrsti na obje strane metalnog prstena. Nakon toga membrana

se pretvara pomoću tlaka (vakuum) ili mehaničkom silom u željeni parabolični oblik. Takve

lagane metalne membrane osiguravaju potpunu površinsku koncentraciju s visokom optičkom

kvalitetom. [1]

65

Slika 6.2. Višedjelni (lijevi) i jednodjelni (desni) parabolični tanjur.

6.2. Prijemnik

Prijemnik apsorbira reflektirano sunčevo zračenje koncentratora i pretvara ga u tehnički

korisnu toplinu. Za sustave koji izravno zagrijavaju radni medij, radna temperatura varira između

600 i 850 °C, a tlak između 40 i 200 bara. Najviša temperatura sustava javljaja se na prijemniku.

Intenzivna distribucija koncentriranog zračenja u žarišnoj točki ne može u potpunosti biti

homogena zbog neizbježnih zrcalnih pogrešaka. To je razlog velikih temteraturnih gradijenata

koji se mogu pojaviti na površini apsorbera. Od mnoštva raspoloživih tehnoloških izvedbi

prijamnika dva su opisana.

6.2.1. Cjevasti prijemnik

Cjevasti prijemnik je najjednostavniji tip solarnog prijamnika, direktno grijan

koncentriranim zračenjem te pogodan za rad sa stirlingovim motorom (Slika 6.3. lijevo). Radni

medij za prijenos topline protječe kroz apsorberske cijevčice koja pogoni Stirlingov motor. Oblik

prijemnika mora geometrijski stati na površinu žarišne točke stvorenu koncentratorom. [1]

66

Slika 6.3. Prijemnici za parabolični tanjur, cjevasti (lijevo) cjevni (desno).

6.2.2. Cjevni prijemnik

Cjevni prijemnik kao medij za prijenos topline koristi natrij (Slika 6.4. desno) po principu

promjene stanja. Budući da ovaj medij za prijenos topline prolazi kroz cikluse isparavanja i

kondenzacije, latentna toplina isparavanja se prenosi s ozračene površine apsorbera na grijač, a s

njega na radni medij Stirlingovog motora, dok temperatura ostaje gotovo konstantna.

Nakon toga, kondenzat se transportira (vraća) u grijanu zonu kapilarnom strukturom. Zbog

ovakvog principa rada konstrukcija zahtijeva velike tehničke napore pri proizvodnji. Iako

kompliciran, ovaj koncept nudi prednost da visoke temperature ili ekstremno različite gustoće

toka topline mogu biti homogeno transpontirane na grijač Stirlingovog motora zahvaljujući

dobrom prijenosu topline. Cjevni prijemnik topline može se lako kombinirati s drugim izvorima

topline, tj. uz sunčevo zračenje može koristiti tekuća ili plinovita goriva (fosilna ili biomasu). [1]

Cjevni prijemnici su najčešće napravljeni kao šuplji prijemnici. Koncentrirano zračenje

prolazi kroz male otvore i pada na šupljine. Stvarna apsorberska površina koja je predmet porasta

temperature zbog upadnog zračenja, pozicionirana je iza žarišne točke. Zbog geometrijskog

položaja apsorberska površina je veća od otvora te se intenzitet zračenja koji djeluje na prijemnik

smanjuje. S obzirom na šuplji prijemnik gubici topline su niski jer samo mali dio difuznog

zračenja emitiranog iz apsorbera izlazi kroz otvore. [1]

67

6.3. Stirlingov motor

Toplinska energija osigurana koncentriranim sunčevim zračenjem može se pretvoriti u

električnu energiju pomoću Stirlingovog motora spojenog na generator. Stirlingov motor pripada

skupini vrućih plinskih strojeva i koristiti zatvoreni sustav, tj. unutar radnog ciklusa uvijek se

koristi isti radni plin. Suprotno Ottovom ili dizelskom motoru, energija se osigurava vanjskom

opskrbom toplinske energije, tako da su pogodni za korištenje na paraboličnom tanjuru. Osnovne

komponente sustava čine grijani radni cilindar, hlađeni kompresijski cilindar i regenerator koji

služi za pohranu energije između faza. U većini slučajeva, regenerator je vrlo porozno tijelo

visokog toplinskog kapaciteta te ima znatno veću masu od mase plina koji protječe kroz tijelo.

Ako se unutar regeneratora vrši potpuniji izmjenični prijenos topline, veća je temperaturna

razlika između radnog i kompresijskog cilindra, a time i veća učinkovitost Stirlingovog motora.

Proces se odvija u četiri koraka, a izvodi se pomoću dva klipa, od kojih je jedan radni

klip, a drugi služi samo kao potiskivač. Proces se odvija između dvije izoterme i dvije izohore.

Primjenom regeneratora topline, stupanj djelovanja procesa izjednačava se sa stupnjem

djelovanja Carnotovog procesa (najviši mogući termički stupanj djelovanja). [1]

Zatvoreni kružni proces iziskuje topli i hladni prostor, u kojemu se pri početku procesa

nalazi sav radni medij. Za tehničku realizaciju kompresijski klip se pomiče prema zatvorenom

dijelu, tako da ohlađeni radni plin struji prema toploj komori, prolazeći kroz regenerator.

Regenerator prenosi prethodno apsorbiranu toplinu radnog plina (Slika 6.4. faza izohornog

zagrijavanja (1)). Plin se zagrijava na temperaturu tople komore dok se regenerator hladi na

temperaturu hladne komore. Nakon toga, radni plin se unutar tople komore širi izotermno i

apsorbira toplinu iz toplog prostora (Slika 6.4. izotermna faza ekspanzije (2)). Radni plin se širi i

pokreće radni klip prema otvorenoj strani i obavlja rad. Radni klip prolazi donju mrtvu točku te

se pomiče prema zatvorenom dijelu, vrući radni plin je prisiljen proći kroz regenerator i prelazi u

hladnu komoru. Toplina se prenosi izohorno s radnog plina na regenerator (Slika 6.4. izohorna

faza hlađenja (3)). Plin se hladi na temperaturu hladne komore dok se regenerator zagrijava na

temperaturu tople komore. Radni plin je izotermno kompresiran i prenosi generiranu toplinu na

hladnu komoru (Slika 6.4. faza izotermne kompresije (4)). [1]

68

Slika 6.4. Princip rada Sterlingovog motora.

Strojevi koji se primjenjuju za parabolične tanjure kao radni plin koristite helij ili vodik

na temperaturi između 600 i 850 °C. Izlazna snaga Stirlingovog motora kontrolirana je radnim

tlakom plina.

69

6.4. Izgrađeni parabolični tanjuri

Zbog njihove veličine i prostonih zahtjeva pojedini sustavi paraboličnih tanjura pogodni

su za napajanje malih i srednjih mreža. Kada su u kombinaciji s baterijama i/ili dodatnim

izvorima na fosilna goriva ili biomasu, prikladni su za opskrbu energije u ruralnim sredinama. U

tom smislu moraju se natjecati s mnoštvom drugih obnovljivih izvora, aktualna zbivanja su

koncentrirana na automatski rad i rezanje cijene troškova. Parabolične protočne elektrane mogu

pružiti veće količine topline i energije. Najveći park je izgrađen 1984. u Kaliforniji, a sastojao se

od 700 pojedinačnih kolektora i centralnog toplinskog motora ukupne električne snage gotovo 5

MW. [1]

Marciopa Solar izgrađena je u Peoriji, Arizona(Slika 6.5.). Sastoji se od 60 solarnih

tanjura svaki snage 25 kW. Za pretvorbu topline u električnu energiju koristi stirlingov motor, te

doseže maksimalnu efikasnost do 31%. Kako stirlingov motor posjeduje puno pokretnih dijelova

smatra se nepouzdan, te zahtijeva puno održavanja, čime se povećava cijena.

Slika 6.5. Solarna elektrana Marciopa Solar snage 1.5 MW.

70

7. SOLARNI DIMNJAK I SOLARNI BAZEN

7.1. Solarni dimnjak

Solarni dimnjak ili solarna uzgonska elektrana se sastoji od tri osnovna elementa

staklenog krovnog kolektora u kojemu se zrak zagrijava, dimnjaka kroz koji se uzdiže zagrijani

zrak i vjertoturbine koju pogoni tok zraka.

Solarni dimnjak temelji se na efektu dimnjaka koji je prikazan na slici 7.1. izravno i

difuzno sunčevo zračenje zagrijava zrak ispod kružnog staklenog krova koji je otvoren na obodu

i u kombinaciji s tlom čini zračni kolektor. Sredina krova je opremljena vertikalnim dimnjakom s

velikim otvorima za dovod zraka. Budući da je topli zrak je manje gustoće od hladnog zraka, on

se uzdiže prema vrhu dimnjaka. Sunčevo zračenje osigurava kontinuirani tok zraka unutar

dimnjaka. Energija sadržana u protoku zraka može se pretvoriti u mehaničku energiju pomoću

vjetroturbine koja se nalazi na dnu dimnjaka. Na kraju se mehanička energija pretvara u

električnu energiju pomoću generatora.

Slika 7.1. Princip rada solarnog dimnjaka (solar chimney).

71

Solarni kolektori su u suštini građevine nalik na staklenik u kojima se zagrijava zrak

odnosno voda toplinom sunčevog zračenja. Topli zrak se zbog efekta dimnjaka diže te prolazi

preko turbina, proizvodeći električnu energiju, te odlazi u dimnjak. Glavni parametri koji

određuju veličinu ove vrste elektrane su površina kolektora, te visina dimnjaka. Veća površina

kolektora omogućuje većoj količini zraka da se zagrije i struji preko vjetroturbina, dok viši

dimnjak omogućuje veću razliku tlaka i efikasniji efekt dimnjaka.

Uravnoteženje električne proizvodnje takve elektrane moglo bi biti potrebno kako bi se

omogućilo jednostavniju integraciju unutar elektroenergetskog sustava što je moguće ugradnjom

toplinskog spremnika solarne energije. Kako bi elektrana mogla proizvoditi energiju i tijekom

noćnih sati, moguće je u kolektore ugraditi crne cijevi ili torbe (spremnike) pune vode koji su

smješteni na dnu solarnog dimnjaka te služe kao međuspremnik. Tijekom dana voda se zagrijava

unutar tih elemenata za pohranu toplinske energije, a pohranjena energija iskorištava se tijekom

noći. Kako voda ima vrlo visoki toplinski kapacitet idealna je za pohranu toplinske energije koju

oslobađa u noćnim satima te na taj način omogućava neprekidni rad elektrane i u noćnim satima,

iako s manjim kapacitetom.

Solarna urgonska elektrana (solarni dimnjak) je vrsta još uvijek nedovoljno testirane i

istražene varijante solarnih elektrana. Njezina trenutna upitna ekonomska isplativost uskoro bi se

mogla promijeniti zbog sve viših cijena fosilnih goriva, za što već postoje naznake u dijelovima

svijeta sa velikim brojem sunčanih dana.

7.1.1. Kolektor

Vrući zrak potreban za rad solarnog dimnjaka je stvoren je jednostavanim zračnim

kolektorom. Potonji se sastoji od prozirnog staklenog ili plastičnog krova horizontalno

postavljenog koji se nalazi oko dva do šest metara iznad tla (Slika 7.2.).

72

Slika 7.2. Varijante solarnog kolektora pogodnih za Solarni dimnjak.

Prozirni krov propušta sunčevo zračenje, ali je nepropustan za dugovalno toplinsko

zračenje emitirano iz prostora ispod kolektora koji se zagrijava na Suncu. To je razlog zašto se

prostor ispod krova snažno zagrijava i prenosi toplinu na zrak koji teče radijalno izvana prema

dimnjaku. [1]

Visina kolektora u odnosu na tlo povećava se prema tornju. Prema tome, brzina protoka

zraka se ne povećava previše, tako da gubici uslijed trenja ostaju niski. Osim toga gubici tijekom

promjene smjera kretanja zraka iz horizontalnog u vertikalni smjer su svedeni na minimum. [1]

7.1.2. Spremnik topline

Ako je manje izražena vršna potrošnja električne energije u rano poslijepodne, a

predviđena je viša proizvodnja električne energije u večernjim satima, solarna energija može se

pohraniti u toplinskom spremniku. U tu svrhu mogu se koristiti vodom ispunjena crijeva ili

jastuci koji postavljeni na dnu kolektora mogu znatno povećati već postojeću prirodnu

sposobnost termoakumulacije tla. Budući da već pri vrlo niskim brzinama protoka vode, zbog

prirodne konvekcije unutar crijeva, prijenos topline između crijeva i vode je znatno veći nego

između solarnog zračenja i površine zemlje ispod kolektora, te zbog toplinskog kapaciteta vode

koji je oko pet puta veći od tla, voda unutar crijeva sprema dio sunčevog zračenja. Toplina se

oslobađa samo tijekom noći, kada je temperatura zraka u unutrašnjosti kolektora ispod

73

temperature vode unutar crijeva. Crijeva su samo jednom ispunjena vodom te se zapečate, tako

da voda ne ispari. Ovisno o željenom učinsku količina vode unutar crijeva treba odgovarati

prosječnoj dubini vode ispod kolektora od 5 do 20 cm (slika 7.3.). [1]

Slika 7.3. Utjecaj spremnika topline smještenog ispod staklenog kolektora, na kronološki slijed

isporuke snage (rezultati simulacije).

7.1.3. Dimnjak

Uzgon zagrijanog zraka unutar kolektora je proporcionalan porastu temperature zraka

unutar kolektora i visine dimnjaka. Na primjer, u slučaju velikog solarnog dimnjaka

ambijentalna temperatura zraka obično je povećana za 35 K, tako da je brzina protoka zraka od

oko 15 m/s stvorena unutar dimnjaka. Tehnički gledano, solarni dimnjak je vrlo veliki

atmosferski rashladni toranj.

Dimnjak visine 1000 m predstavlja velik izazov, što se u današnje vrijeme dobro

kontrolira. Na primjer, zgrada Burj Dubai je visine preko 800 m. Za solarni dimnjak potreban je

jednostavni šuplji cilindar i zahtjevi su znatno niži u odnosu na stambene zgrade. Takav dimnjak

može biti izgrađen korištenjem različitih tehnologija poput samostojećih armiranobetonskih

74

cijevi, čeličnih cijevi ili navodećih tornjeva s oblogom od lima ili membrane. Istraživanja su

pokazala da gotovo svi smatraju da armirani beton predstavlja najviše izdržljivu i isplativu

opsiju. Za takav toranj visine 1000 m debljina zida je nešto iznad 1 m pri dnu. Debljina bi se

smanjila na oko 0,3 m na polovici visine i ostaju nepromijenjene do vrha. Ipak, takvi tanki tuneli

su deformirani uslijed opterećenja vjetra na ovalni presjek. To osobito vrijedi za usisavanje na

bokovima prikazanim na slici 7.4.. Uzdužni pritisak postaje vrlo visok tako da je krutost

smanjena zbog pucanja a tu je i opasnost od izvijanja. Ovalizacija se učinkovito može izbjeći

snopovima niti u obliku krakova kotača rastegnutim preko presjeka tornja. Oni imaju isti učinak

kao i ukrućene membrane, ali minimalno smanjuju uzgon.

Slika 7.4. Distribucija tlaka i podtlaka za tok oko cilndra (cp – koeficijent tlaka).

7.1.4. Turbine

Turbine koje se koriste za solarni dimnjak nisu kao lopatice vjetroelektrana koje

iskorištavaju brzinu protoka zraka nego rade na principu iskorištavanja statičkog tlaka, slično

turbini hidroelektrane. Ostvariva učinkovitosti time je veća od turbina za pogon vjetroelektrana.

75

Brzina zraka ispred i iza turbine je gotovo ista. Proizvedena snaga je proporcionalna umnošku

količine protoka i pada tlaka na turbini. Kontrola turbine ima za cilj maksimiziranje proizvodnje

u svim uvjetima rada. Pad tlaka, a time i brzina protoka i protok zraka unutar postrojenja se

kontrolira mehanizmom prilagodbe lopatica turbine. Ako su lopatice okomite na protok zraka,

nema proizvodnje električne energije, a ako su u smjeru protoka zraka, pad tlaka na turbini

jednak je nuli, također nema proizvodnje energije. Optimalni položaj lopatica je između tih dviju

pozicija. Za dizajn turbine, mogu se koristiti iskustva prikupljena u projektiranju turbina

hidroelektrana, vjetroturbina i zračnih tunela. Vertikalna os turbina čini se kao najpogodnije

rješenje, iako se može koristiti veći broj horizontalnih osi turbina postavljenim koncentrično

između kolektora i dimnjaka. [1]

7.1.5. Prednosti i nedostaci

Kako za svoj rad ne koristi nijednu vrstu fosilnih goriva, emisija CO2 je gotovo jednaka

nuli. Značajne količine ugljičnog dioksida (CO2) se ispuštaju jedino prilikom proizvodnje i

gradnje postrojenja (ugljični otisak). Nedostatak ovog tipa postrojenja je izuzetno velika

površina koju zauzimaju kolektori te se procjenjuje da bi za postrojenje od 200 MW bilo

potrebno 38 km2 kolektora. Kako površina staklenika ne bi bila potpuno izgubljeni prostor, može

se u staklenicima posaditi prikladno bilje ili se može iskoristi već prije uništeno i neupotrebljivo

tlo. Prednost ovog tipa postrojenja je što bi mogao električnom energijom napajati male i

zabačene regije zemalja u razvoju, uz minimalne troškove investicije i održavanja, te bi

omogućio zapošljavanje manjeg broja ljudi.

Ova vrsta postrojenja ima izuzetno malu učinkovitost. Predviđa se da kolektori od 38 km2

mogu dobiti tek 0,5 posto (oko 5 W/m2) od sveukupnog sunčevog zračenja koje padne na njih,

dok za primjer, postrojenja bazirana na koncentrirajućim solarnim elektranama ili fotonaponske

elektrane imaju iskoristivost od 5 do 40 %. [6]

76

7.1.6. Prošli i budući projekti

U Španjolskoj je 1982. godine napravljen prvi eksperimentalni solarni dimnjak (Slika

7.5.), koji je iako izrađen od jeftinih materijala te s predviđenim radnim vijekom od svega 3

godine, bilo u funkciji punih 8 godina. Cilj ovog eksperimentalnog postrojenja nije bio

prvenstveno proizvodnja energije nego utvrditi najbolje i najjeftinije materijale za izgradnju

ovakvog tipa postrojenja u zemljama trećeg svijeta. Također, rezultati dobiveni ovim

eksperimentom korišteni su prilikom razvoja ovog tipa postrojenja u budućim projektima.

Ovaj istraživački projekt je usmjeren na provjeru teorijskih pristupa i procjenu utjecaja

pojedinih komponenti na sposobnost proizvodnje električne energije i učinkovitost elektrane pod

realnim tehničkim i meteorološkim uvjetima.

7.5. Solarna uzgonska elektrana (solarni dimnjak) Španjolska 1982.

77

Za tu svrhu izgrađen je dimnjak visine 195 metara i promjera 10 metara okružen

kolektorima promjera 240 m. Dimnjak se sastoji od navodeće cijevi trapeznih limova debljine

1.25 mm. Cijev je poduprta prstenom 10 m iznad tla kojeg nosi osam tankih cjevastih stupova,

tako da topli zrak može teći neometano u dimnjak. Prijelaz između kolektora i dimnjaka riješen

je rastegnutom membranom od plastike presvučenom s tkaninom. Za kolektor su odabrane razne

vrste plastike i stakla kako bi se utvrdilo što je najbolje i na duži rok najisplativiji materijal.

Utvrđeno je da je staklo u stanju izdržati čak i veće oluje tijekom godina bez oštećenja te je

dokazano samočišćenje stakla povremenim prolom oblaka. Površina plastičnih kolektora je 40

000 m2, a staklenih kolektora 6 000 m2. Korištena vjetroturbina posjeduje četiri lopatice te je

nazivne snage 50 kW. [1]

Završetak izgradnje 1982. godine uslijedila je eksperimentalna faza, čija je svrha bila

pokazati operativni princip solarnog dimnjaka. Ciljevi ove faze projekta bili su dobivanje

podataka o učinkovitosti korištene tehnologije, prikaz potpuno automatskog operativnog rada

elektrane s visokim stupnjem pouzdanosti te snimanje i analiza operativnog ponašanja elektrane i

fizičke odnose na temelju dugoročnih mjerenja.

Slika. 7.6. prikazuje odabrane operativne podatke za tipičan dan iz solrnog dimnjaka u

Španjolskoj. Podaci jasno pokazuju da za elektranu bez toplinskog spremnika proizvodnja

električne energije tijekom dana usko korelira sa sunčevim zračenjem. Ipak, postoji određeni

uzgon koji se može iskoristiti za proizvodnju električne energije čak i tijekom nekih noćnih sati.

1987. godine elektrana je radila ukupno 3.197 sati, a to se odnosi na srednje dnevno operativno

vrijeme od 8,8 h. To je postignuto potpuno automatiziranim upravljanjem postrojenja koji

osigurava automatsko pokretanje postrojenja i sinkronizaciju s električnom mrežom nakon što

brzina protoka prekorači određenu vrijednost (obično 2,5 m/s). Unatoč pozitivnim rezultatima

poslovanja potvrđenim izračunatim podacima testirana elektrana u potpunosti je demontirana

nakon oluje 1989. zbog problema s vrtloženjima. [1]

78

Slika 7.6. Izlazna snaga i brzina protoka zraka u ovisnosti o ukupnom zračenju tijekom dana za

solarni dimnjak PS10 (mjerni podaci 8.6.1987.).

U mjestu Jinshawan, Kina, je uz investiciju od 208 milijuna američkih dolara 2010.

godine puštena u pogon 200 kW elektrana, čiji se kapacitet planira povećati na 27 MW, a čiji bi

kolektori pokrivali površinu od oko 2,8 km2. Kolektori će pridonijeti i poboljšanju lokalne klime,

prekrivajući pijesak i sprečavajući pješčane oluje.

Budućnost ovog tipa postrojenja zasad je vrlo nesigurna iako postoje neki planovi o

izgradnji u zemljama s velikim brojem sunčanih i toplih dana (Australija, Namibija). U

međuvremenu izgrađeni još poneki manji eksperimentalni objekti (Bocvana, Turska) manje

snage čiji rezultati nisu poznati široj znanstvenoj zajednici.

Prema zadnjim saznanjima, stručnjaci na Fakultetu elektrotehnike, strojarstva i

brodogradnje Sveučilišta u Splitu, su 2009. godine proveli numeričko modeliranje koje je

ukazalo na mogućnost daljnjih poboljšanja postojeće tehnologije. Osim ovog primjera, hrvatska

javnost do sada nije čula ni za jedan domaći pilot projekt ovog tipa elektrane.

79

7.2. Solarni bazen

Solarni bazeni su elektrane koje koriste princip raslojavanja vode kao osnovu kolektora.

Kao kolektor i spremnik topline koristi se bazen ispunjen smjesom vode i soli. Voda na dnu

solarnog bazena služi kao primarni toplinski spremnik iz kojeg se toplina izvlači za pogon.

Dublji slojevi vode i dno solarnog bazena služe kao apsorber za izravno i difuzno sunčevo

zračenje. Zbog raspodjele koncentracije soli koja se povećava prema dnu bazena, gubici topline

koji su uzrokovani isparavanjem, konvekcijom i zračenjem topline na površini, svedeni su na

minimum. Slika 7.7. prikazuje opću strukturu solarnog bazena za proizvodnju električne

energije.

Približna temperatura rasola je između 80 i 90 °C, a približna stagnacija temperature na

100 °C može se koristiti s dna bazena. Zahvaljujući pogodnom termodinamičkom ORC ciklusu

(Organic Rankine Cycles), toplina se može koristiti za proizvodnju električne energije. [1]

Slika 7.7. Shema solarnog bazena.

Snage solarnih bazena se kreću od nekoliko desetaka kilovata do nekoliko megavata

izgrađeni u Izraelu, SAD-u (Texas), Australija i Indija (za proces pružanja topline). Solarna

termalna učinkovitost od otprilike jedan posto je niska, sradnjeg raspona snage od 5-10 W/m2

80

ovisno o zračenju, udjelu soli i maksimalnoj temperaturi. Kratkoročno se može iskoristiti veći

toplinski kapacitet, međutim, u tom slučaju solarni bazen bi se brže ohladio.

7.2.1. Kolektor (bazen)

Kolektor može biti prirodno ili umjetno jezero, bara ili bazen koji se ponašaju kao ravni

kolektori zbog različitih koncentracija soli u vodenim slojevima. Gornji sloj vode s relativno

niskim udjelom soli često je prekriven s plastičnim poklopcima zbog spriječavanja valova koji

mješaju slojve vode te povećavaju gubitke topline konvekcijom. Gornja zona miješanja takvih

kolektora obično iznosi oko 0,5 m debljine. Susjedna prijelazna zona ima debljinu od 1 do 2 m, a

donja zona za pohranu topline je 1,5-5 m debljine. [1]

Ako se dublji sloj vode u bazenu grije na Suncu, topla voda se diže na površinu zbog

činjenice da topla voda ima manju gustoću od hladne vode. Dio topline vode na površini odlazi u

atmosferu, a dio se miješa što je razlog da u većini slučajeva, srednja temperatura vode približno

je jednaka sobnoj temperaturi. U solarnom bazenu prijenos topline u atmosferu spriječava se

otopljenom soli u dubljim slojevima. Dublji sloj vode je veće gustoće te iako zagrijan na dnu

bazena neće se uzdići do površine čak i ako je temperatura zagrijane vode blizu točke ključanja.

Koncentracija soli različitih slojeva mora se povećati s povećanjem dubine (Slika 7.8.). U

prvoj fazi, to je osigurano stabilnim raslojavanjem vode. Gornji, gotovo bez soli sloj djeluje kao

toplinski izolacijski poklopac koji spriječava gubitak topline toplinskog spremnika na dnu

bazena. [1]

Slika 7.8. Gustoća (lijevo) i temperaturni gradijent (desno) solarnog bazena.

81

Da bi se osiguralo stabilano raslojavanje solarnog bazena, s povećanjem dubine porast

temperature ne smije prelaziti povećanje gustoće (tj. soli). To je razlog zašto se svi relevantni

parametri moraju kontinuirano pratiti kako bi se moglo pravovremeno poduzeti odgovarajuće

mjere poput oduzimanja topline i opskrba soli. [1]

Da bi se postigla krajnja učinkovitost kolektora, velik dio sunčevog zračenja mora

dosegnuti zonu apsorpcije. To se može postići samo ako su gornji slojevi dovoljno propusni.

Tijekom rada solarnog bazena mora se redovito pratiti propusnost, udio soli i temperatura

vode. Pravovremenim mjerenjem parametara s površine vode do dna kako bi se odredila količina

topline koja se može iskoristiti iz bazena ili utvrditi mjere za održavanje odgovarajuće

koncentracije soli i kvalitete vode (sprečavanje zamućenosti zbog čestica, algi i bakterija). [1]

Difuzija osigurava kontinuirano izjednačavanje koncentracije soli u solarnom bazenu

koja je i pojačana valovima zbog vjetra u blizini površine, te je to razlog zašto sol treba izvlačiti

iz površinske vode i dodat je dubljim slojevima. Za ovu svrhu površinska voda isparava u

odvojenim ravnim bazenima (isparivačima) iz kojih se sol vadi i dodaje dubljim slojevima. [1]

7.2.2. Izmjenjivač topline

U osnovi, postoje dvije metode za izvlačenje topline iz solarnog bazena.

Radni medij termičkog motora zagrijava se protjecanjem kroz snop cijevi izmjenjivača topline

smještenih u toplinskom spremniku odnosno pri dnu solarnog bazena.

Vruća slanica može se pumpati iz sloja toplinskog spremnika putem ulaznog difuzora

koja u izmjenjivaču topline predaje toplinu radnom mediju termičkog motora. Ohlađena slanica

se vraća u područje veće dubine solarnog bazena posredstvom drugog difuzora. Ovakav tehnički

pristup omogućuje podešavanje položaja usisnog difuzora na dubinu s najvišom temperaturom te

su gubici topline na dnu bazena smanjeni jer se ohlađena voda reciklira u blizini dna bazena. [1]

Kvalitetno dimenzioniran izmjenjivač topline neophodan je za uspješan rad solarnog

bazena, pogotovo u vrijeme intenzivnog zračenja (u podne) kad se mora osigurati da toplina

82

može sigurno biti povučena iz bazena kako bi se spriječilo fazne promjene i napravilo nestabilno

raslojavanje vode. [1]

7.2.3. Termički motor

Za pretvaranje solarne toplinske energije u mehaničku, a potom u električnu energiju,

obično se primjenjuje organski rankineov proces. To je u osnovi parni ciklus koji koristi nisko

ključanje vode, uglavnom organski ciklus tekućine. Takv proces dopušta proizvodnju električne

energije na niskim temperaturnim razlikama. [1]

7.2.4. Izgrađeni solarni bazeni

Slika 7.9. prikazije solarni bazen izgrađen 1986. u El Pasu (Texas) je prvi solarni bazen

za proizvodnju električne energije, snage 70 kWel, s površinom od 3.350 m2 i dubine 3,2 metara.

Ribnjak koristi vodenu otopinu s natrijevim kloridom (NaCl). Dubina površinskog sloja iznosi

0,6 m, srednjeg sloja 1,4 m i donjeg apsorberskog sloja 1,2 m. Od tada, El Paso solarni bazen

uspješno je razvio niz tehnologija za rad i održavanje solarnih bazena.

Slika 7.9. Solarni bazen u El Pasu, Texas, SAD.

83

Najveći operativni solarni bazen za proizvodnju električne energije bio je Beit HaArava

bazen izgrađen u Izraelu te je radio do 1988, maksimalne električne snage 5 MW te prosječne

snage 570 kWel. Pokrivao je površinu od 250.000 m2.

Prvi solarni bazen u Indiji površine 6000 m2 izgrađen je u Bhuju. Projekt je pokrenut pod

programom Nacionalnog Solarnog Bazena od strane Ministarstva nekonvencionalnih izvora

energije 1987. i završen 1993. nakon duljeg napora. Solarni bazen uspješno je demonstrirao

ekspeditivnost tehnologije za dobavu 80.000 litara tople vode dnevno za elektranu. Solarni bazen

funkcionirao je bez napora do 2000. godine kada ga je oštetio potres, te više nije u funkciji.

84

8. EKONOMSKA PERSPEKTIVA I BUDUĆI RAZVOJ

8.1. Budući razvoj [7]

8.1.1. Postojeći scenariji

IEA publikacija „Energy Technology Perspektive 2008“ (ETP 2008) zaključuje da su

koncentrirajuća solarna postrojenja jedana od najisplativijih tehnologija koje će smanjiti emisiju

CO2. U „ETP BLUE“ scenariju, emisija CO2 nastala proizvodnjom globalne energije do 2050. su

smanjene na polovicu razine iz 2005., a koncentrirajuća solarna postrojenja proizvode 2 200

TWh godišnje do 2050 iz 630 GW lokalnih kapaciteta (izvoz nije uzet u obzir). Od solarnih

elektrana se očekuje da će pridonijeti s 5% godišnje svjetske proizvodnje električne energije u

2050, u ovom scenariju (Slika 8.1. plava linija).

U naprednom scenariju „CSP Global Outlook 2009“, „IEA SolarPACES Programme“,

„European Solar Thermal Electricity“ udruga i „Greenpeace“ procjenjuju globalni kapacitet

solarnih termoelektrana do 2050. na 1 500 GW. Prognoza „SolarPACES“ vidi veliki napredak, s

proizvedenom godišnjom energijom od 7800 TWh (Slika 8.1. zelena linija).

U studiji „Technology Roadmap CSP“ o obnovljivim izvorima energije potencijal

bliskoistočne i sjeverne Afrike, „German Aerospace Center“ procjenjuje da će do 2050. solarne

termoelektrane moći osigurati oko polovice proizvodnje električne energije te regije iz ukupnog

kapaciteta 390 GW (Slika 8.1. crvena linija).

Prema „Technology Roadmap CSP“ predviđa se brzo širenje kapaciteta koncentrirajućih

solarnih termoelektrana u zemljama ili regijama s visokim izravnim solarnim zračenjem (DNI), a

povećava svoju proizvodnju električne energije kako progresivno raste postotak ukupne

potrošnje prema prognozi u „IEA climatefriendly“ scenariju. U susjednim ali manje sunčanim

regijama očekuje se manji doprinos električne energije iz koncentrirajućih solarnih elektrana.

Solarne elektrane izgrađene prije 2020. uglavnom pokrivaju srednja i vršna opterećenja,

dok se prvi set istosmjernih visokonaponskih dalekovoda (HVDC) ne izgradi, te poveže neke

solarne termoelektrane u sunčaniijim područjima i velike potrošačke centre. Od 2020. do 2030.,

kako su troškovi smanjeni i učinkovitosti poboljšane, raspored solarnih termoelektrana ide prema

pokrivanju konstantnog opterećenja, čime se pojačava smanjenje emisije CO2. Nakon 2030., dok

85

se nastavlja razvoj solarnih termoelektrana, solarna goriva ulaze u globalnu upotrebu. Do 2050.,

solarne termoelektrane zauzimaju oko 11% globalne proizvodnje električne energije.

Slika 8.1. Rast proizvodnje energije iz solarnih termoelektrana prema četiri scenarija.

Prema nedavnom istraživanju PriceWaterHouse Cooper, Europa i Sjeverna Afrika

zajedno mogle bi do 2050. proizvesti svu svoju električnu energiju iz obnovljivih izvora, ako

njihove elektroenergetske mreže budu dovoljno povezane. Dok bi sjeverna Afrika koristila 25%

ukupne proizvodnje, sudjelovala bi s 40% ukupne proizvodnje energije, uglavnom iz vjetra i

solarne energije. Solarne termoelektrane činile bi okosnicu izvoznih kapaciteta sjeverne Afrike u

Europu.

8.1.2. Prijenos električne energije

Važnog način povećanja ostvarivog potencijala koncentrirajućih solarnih termoelektrana

je prijenos električne energije na velike udaljenosti. Velike zemlje poput Brazila, Kine, Indije,

Južne Afrike i SAD-a (Slika 8.2.) će se dogovoriti velike dalekovode za prijenos električne

energije proizveden solarnim termoelektranama. U drugim slučajevima, visokonaponski

dalekovodi će prelaziti granice, otvarajući izvozna tržišta zemalja s proizvodnjom energije iz

86

solarnih termoelektrana i povećanje energetske sigurnosti zemalja koje uvoze. Australija može

napajati Indoneziju, središnja Azija Rusiju, sjeverno Afričke zemlje i Turska snabdijevati

Europsku uniju, sjeverne i južne afričke zemlje napajati ekvatorijalnu Afriku, a Meksiko pružati

električnu energiju SAD-u.

Slika 8.2. Vizija mogućih HVDC dalekovoda povezujući jugozapad s ostatakom SAD-a.

Prijenos velikih količina električne energije iz pustinjskih područja u naseljena područja

je unaprijeđen, posebno od strane „DESERTEC Foundation“ (Slika 8.3.). Ova ideja je nadahnuta

dvjema inicijativama u Europi, „Mediterranean Solar Plan“ i „DESERTEC Industry Initiative“.

Prvo se razvila unutar okvira Barcelonskog procesa Unija za Mediteran koja ima za cilj donijeti

oko 20 GW obnovljivih izvora energije u zemlje Europske unije do 2020. iz raznih gospodarstva

u razvoju.

87

Slika 8.3. DESERTEC koncept primijenjen na EU-MENA regije.

Druga inicijativa je najavljena 2009., te poprima oblik društva s ograničenom

odgovornošću, s 12 dioničara (ABB, Abengoa Solar, DESERTEC Foundation, Deutsche Bank,

Schott Solar and Siemens itd.). „DESERTEC Industry Initiative“ ima za cilj uspostaviti okvir za

investicije u energiju sunca i vjetra za potrebe Bliskog Istoka, sjeverne Afrike i Europe.

Dugoročni cilj je zadovoljiti znatan dio energetskih potreba na Bliskom Istoku i sjevernoj Africi,

te dostići 15% Europske potražnje električne energije do 2050.

Izobilje sunca na Bliskom Istoku i sjevernoj Africi će dovesti do nižih troškova, te

kompenzirati očekivane dodatne troškove prijenosa i gubitaka električne energije. Nadalje,

trenutni poticaji u Španjolskoj ili Francuskoj za velike temeljne solarne termoelektrane u velikoj

mjeri će pokriti troškove proizvodnje električne energije u sjevernoj Africi koji se procjenjuju na

150 EUR/MWh na najsunčanijim mjestima, plus prijenos do juga Europe koji se procjenjuje od

15 EUR/MWh do 45 EUR/MWh.

88

8.1.3. Tehnološki putokaz koncentrirajućih solarnih termoelektrana

8.1.3.1. Implementacija do 2020.

Od 2010. do 2020., očekuje se ubrzana gradnja solarnih termoelektrana na globalnoj

razini zahvaljujući napretku tehnologijeije i korištenju poticaja u sunčanijim zemljama. Očekuje

se napredak satelitskih algoritama za procjenu potencijala globalnog solarnog zračenja koji nude

veću prostornu rezoluciju i bolje karate izravnog solarnog zračenja. Ove procjene su potvrđene

od strane mnogih kvalitetnih mjernih postaja. Takve stanice su instalirane u svim zemljama i

regijama s visokim interesom za solarne termoelektrane uključujući i one kojima nedostaje

odgovarajuća pokrivenost, poput Kine, Indije, Turske, Afrike, Bliskog Istoka i Latinske

Amerike.

Tehnologije koje koriste solarne termoelektrane su razne, od pomoćih napajanja na

fosilna goriva za uštedu goriva do elektrana koje koriste samo sunčevo zračenje u regijama s

mnogo sunčanih dana. Građene su neke samostalne (off-grid) i udaljene (remonte-grid) solarne

elektrane, ali velike mrežne (on-grid) solarne elektrane čine više od 90% ukupnog kapaciteta.

Toplinski spremnici se i dalje razvijaju, ali u većini slučajeva ostaju ograničeni za nužno

pokrivanje gotovo svih srednjih i vršnih opterećenja samo iz solarnih izvora. Solarne

termoelektrane još nisu u potpunosti konkurentane konvencionalnim termoelektrana na ugljen za

pokrivanje konstantnog opterećenja.

Pomoćni sustavi obično na prirodni plin koriste se u nekim slučajevima kako bi se

poboljšala učinkovitost pretvorbe solarne energije u električnu energiju. U drugim slučajevima,

koriste se samo za osiguravanje kapaciteta proizvodnje tijekom dana za pokrivanje naoblake, ali

i u večernjim satima ili noću.

Razvijeni su visokonaponski istosmjerni dalekovodi, te izgrađeni kako bi se proizvedena

električna energija prenosila iz udaljenih krajeva do potrošačkih centara. Neki dalekovodi

povezuju sjevernoafričke zemlje i Europu. Ostali visokonaponski istosmjerni dalekovodi

izgrađeni su u velikim zemljama poput Indije, SAD-a, Brazila, Kine kako bi mogli isporučivati

velike količine solarne električne energije.

89

Globalni instalirani kapacitet doseže 148 GW do 2020., s prosječnim faktorom

iskorištenja vršne snage 32% (2800 sati godišnje), čime se osigurava 414 TWh godišnje.

Primarna energija iz fosilnih goriva u pomoćnim ili hibridnim sustavima u solarnim

termoelektranama sudjeluje s 18% od gornjeg iznosa, odnosno solarni udio u proizvedenoj

električnoj energiji je 82% ili 340 TWh. To iznosi 1,3% globalne proizvodnje električne energije

očekivane u 2020. godini. Ograničavajući faktor za implementaciju tijekom tog razdoblja je

globalni kapacitet industrije, koji se mora brzo povećati s oko 1 GW godišnje u 2010. na više od

20 GW godišnje do 2020.

8.1.3.2. Implementacija do 2030.

Solarne termoelektrane će postati konkurentne konvencionalnim termoelektranama na

ugljen koje pokrivaju konstantno opterećenje, čime se ubrzava smanjenje emisije CO2 oko 2020.

Kako troškovi solarnog polja i spremnika topline padaju, zbog tehnologije viših temperatura

(540 °C i više). Mnoge novoizgrađene solarne elektrane će imati veća solarna polja i toplinske

spremnike za proizvodnju električne energije trajnog opterećenja za veći dio godine. Poticaji će

nestati u većini zemalja jer nisu više potrebni kako bi se podržala izgradnja solarnih

termoelektrana.

Investitori u solarne elektrane izgrađenim nakon 2010. će postupno doći do kraja

razdoblja povrata investicija i početi uživati u znatno višim koristima kako su troškovi solarne

električne energije proizlaze samo iz operativnog rada i održavanja sustava.

Nadalje se može očekivati proširenje visokonaponskih istosmjernih dalekovoda dugih do

3000 km. Postojeći dalekovodi će morati biti pojačani ili prošireni kakoo njihovi kapaciteti

postupno bivaju popunjebi. Europska ulaganja u lokalne solarne termoelektrane će nestati,

uzimajući u obzir dostupnost zemljišta, ali će nastaviti investirati solarne termoelektrane u

inozemstvu, posebno na južnoj obali Mediterana.

Globalni instalirani kapacitet doseže 337 GW, s prosječnim faktorom iskorištenja vršne

snage 39% (3 400 sati godišnje), čime se osigurava 1 140 TWh godišnje proizvedene električne

elergije. Solarni udio bit će 85%, ili 970 TWh, zahvaljujući poboljšanjima u toplinskim

90

spremnicima. To predstavlja oko 3,8% globalne proizvodnje električne energije do 2030. U

međuvremenu se grade prve demonstracijske solarne elektrane za proizvodnju solarnih goriva.

8.1.3.3. Implementacija nakon 2030.

Solarne termoelektrane nastavljaju ekspanziju te postaju potpuno konkurentane s

konvencionalnim termoelektranama na fosilna goriva. Uvoz solarne električne energije pomoći

će elektroenergetskim mrežama nositi veći udio varijabilnih izvora energije u mnogim regijama.

Međutim, ograničenje na uvoz energije je postavljen na 15% potrošnje zemalja uvoznica, kako

vlade preferiraju domaće obnovljive izvore energije. U međuvremenu, solarna goriva se

progresivno uvode u globalnu energetiku.

Do 2040., globalni instalirani kapacitet doseže 715 GW, s prosječnim faktorom

iskorištenja vršne snage 45% (3 900 sati godišnje), čime se osigurava 2 790 TWh godišnje.

Solarni udio je 85%, odnosno 2 370 TWh, što predstavlja 8,3% globalne proizvodnje električne

energije.

Do 2050., globalni instalirani kapacitet doseže 1 089 GW, s prosječnim faktorom

iskorištenja vršne snage 50% (4 380 sati godišnje), čime se osigurava 4 770 TWh godišnje,

odnosno 11,3% procijenjene globalne proizvodnje električne energije u scenariju „ETP 2008

BLUE“. Bioplin i solarna goriva postaju glavni izvor pomoćnih i hibridnih sustava u solarnim

termoelektranama. „Technology Roadmap CSP“ predviđa isti solarni udio od 85% ili 4 050 TWh

godišnje u 2050., što predstavlja 9,6% globalne proizvodnje električne energije.

Slika 8.4. prikazuje gdje će se solarna energija proizvoditi i trošiti do 2050., SAD će biti

najveća regija za proizvodnju solarne energije, nakon čega slijedi Afrika, Indija i Bliski Istok.

Afrika će biti daleko najveći izvoznik, a Europa najveći uvoznik.

91

Slika 8.4. Proizvodnja i potrošnja solarne električne energije 2050.

8.2. Ekonomska perspektiva

Solarne termoelektrane trenutno zahtijevaju veće kapitalne investicije nego drugi izvori

energije, ali nudi znatne dugoročne koristi zbog minimalnih troškova za gorivo pomoćnih ili

hibridnih sustava. Inicijalni investicijski troškovi stalno padaju kako solarne termoelektrane

bivaju sve veće, rastom konkurencije, masovnom proizvodnjom opreme, tehnološkim napretkom

i dobivanjem povjerenja financijske zajednice. U narednom vremenu, ekonomska perspektiva

koncentrirajućih solarnih termoelektrana će ostati povoljna za vršna i srednja opterećenja, nego u

slučaju konstantnog opterećenja zbog problematike skladištenja energije. Programi financiranja

se mogu značajno razlikovati, te imati snažne posljedice na cijenu proizvedene električne

energije i očekivanu stopu povrata ulaganja. U slučaju financiranja kreditom vrijeme potrebno za

gradnju velikih solarnih termoelektrana je dvije godine, te se odgađa vrijeme povrata kredita što

utječe na cijenu proizvedene energije. [7]

8.2.1. Investicijski troškovi

Za velike parabolične protočne termoelektrane, trenutni investicijski troškovi su oko 3,4

EUR/W do 6,8 EUR/W, ovisno o troškovima zemljišta, tehnologiji, iznosu i raspodjeli izravnog

solarnog zračenja, te cijeni spremnika topline i veličini solarnog polja. Solarne termoelektrane

92

bez spremnika topline koje su na mjestima s visokim izravnim solarnim zračenjem imaju niske

troškove ulaganja, a elektrane s velikim spremnicima koje su na mjestima s nižim izravnim

solarnim zračenjem (oko 2.000 kWh/m2/godišnje) imaju visoke troškove ulaganja. [7]

Investicijski troškovi po vatu se smanjuju s povećanjem izlazne snage, odnosno kada

solarna elektrana raste s 50 MW na 100 MW troškovi padaju za 12%, a s povećanjem na 200

MW padaju za 20%. Za više povezanih pogonskih blokova i priključaka na elektroenergetsku

mrežu očekuje se pad troškova za 20% do 25%, kako se instalirana snaga udvostručuje.

Investicijski troškovi će se vjerojatno smanjiti povećanjem konkurencije na tržištu, masovnom

proizvodnjom dijelova i većim iskustvom ulaganja financijske zajednice u projekte

koncentrirajućih solarnih termoelektrana. Investicijski troškovi paraboličnih protočnih

termoelektrana bi mogli pasti za 10% do 20%, uvođenjem izravnog generiranja pare koja

omogućuje više radne temperature i bolju učinkovitost. Ukupni investicijski troškovi imaju

potencijal biti smanjeni za 30% do 40% u sljedećem desetljeću. [7]

Investicijske troškove solarnih tornjeva je teže procijeniti, ali su općenito veći nego

paraboličnih protočnih termoelektrana. Međutim, povećanje učinkovitosti od 15% do 25% će

omogućiti 40% smanjenje ulaganja u solarnu energiju određenih dijelova elektrana, ili 20%

ukupnih investicijskih troškova. Nedavni trend prema velikom broju masovno proizvedenih

malih ravnih zrcala koja imaju manje opterećenja vjetra i praćenje putanje Sunca pomoću

kamera i računala, osigurava smanjenje troškova. Kako industrija solarnih toranjeva ubrzano

sazrijeva, investicijski troškovi mogli bi pasti za 40% do 75%. [7]

8.2.2. Troškovi pogona i održavanja

Troškovi pogona i održavanja koncentrirajućih solarnih termoelektrana uključuju pogon

postrojenja, troškove goriva u slučaju hibridizacije ili pomoćnog plamenika, napojne vode i vode

za hlađenje, i terenske troškove održavanja. Parabolična protočna termoelektrana snage 50 MW

zahtijeva oko 30-ak zaposlenika za pogon postrojenja i 10-ak za održavanje na terenu. Troškovi

pogona i održavanja su procijenjeni od 10 EUR/MWh do 25 EUR/MWh, uključujući i troškove

goriva za pomoćni plamenik. Kako elektrane postaju veće, troškovi pogona i održavanja će se

smanjiti. [7]

93

8.2.3. Proizvodni troškovi

Troškovi električne energije, koji se procjenjuju za parabolične protočne termoelektrane

na doživotni godišnji trošak po jedinici proizvedene električne energije, kreće se u rasponu od

163 EUR/MWh do 240 EUR/MWh. Stvarna cijena najviše ovisi o dostupnom solarnom

zračenju.1 Kada je u solarnu termoelektranu uključen toplinski spremnik, troškovi ulaganja se

povećavaju s veličinom solarnog polja, ali i povećava godišnje vrijeme proizvodnje energije

(npr. do 6 600 sati u Španjolskoj s 15 sati skladištenja), čime se trošak energije mijenja samo

marginalno. U svakom slučaju, glavna zasluga toplinskog spremnika nije smanjenje troškova

električne energije nego povećanje vremena godišnje proizvodnje električne energije, čime se

solarne elektrane natječu s konvencionalnim termoelektranama za pokrivanje konstantnog

opterećenja u ne tako dalekoj budućnosti. [7]

Tablica 8.1. Usporedba cijene proizvedene električne energije po vrsti obnovljivog izvora. [11]

IEA/NEA

2005a

EC

2008b

EPRI

2008c

Vjetroelektrane

(kopnene)

Faktor iskorištenja vršne snage 17-38% 23% 33%

EUR/MWh 41-127 79-116 74

Vjetroelektrane (na

moru)

Faktor iskorištenja vršne snage 40-45% 39% 33%

EUR/MWh 58-110 90-148 74

Hidroelektrane Faktor iskorištenja vršne snage 50% 50-57%

EUR/MWh 56-215 37-197

Solarne

fotonaponske

Faktor iskorištenja vršne snage 9-24% 11%

EUR/MWh 185-1665 552-934

Solarne

termoelektrane

Faktor iskorištenja vršne snage 9-24% 41% 34%

EUR/MWh 239 180-266 143

a cijena proizvedene energije u slučaju s 10% troška elektrane u kapitalu. b cijena proizvedene energije za

2007. godinu, za solarne, cijena proizvedene energije uključuje trošak plina koju elektrana potroši (385 TJ

god.). c cijena proizvedene energije je izračunata za 2015. godinu.

1 korištene su sljedeće pretpostavke: temeljni kapital, 30 god. vijeka elektrane, 10% diskontne stope. Donjem izbosu

odgovara izvrsni DNI i mali toplinski kapacitet, a gornjem iznosu odgovara veći kapacitet, ali niži DNI.

94

9. ZAKLJUČAK

U ovom diplomskom radu obrađena je problematika iskorištavanja sunčevog zračenja te

njezin princip pretvorbe u električnu energiju. Tehnloškim napretkom čovječanstva povečavaju

se i potrebe za električnom energijom koje iz dana u dan sve više rastu. Postajući sve svjesniji

utjecaja na okoliš kojeg ostavljamo radi korištenja fosilnih goriva za proizvodnju električne

energije sve više se pribjegava korištenju, tj. proizvodnji električne energije iz obnovljivih

izvora. Jedan od obnovljivih izvora električne energije su solarne termoelektrane. Naglasak je

stavljen na tehnologije i procese koji najviše obećavaju da će značajno pridonijeti pokrivanju

dijela potrošnje električne energije u svijetu. Solarne termoelektane se dijele na koncentrirajuće,

u koje spadaju parabolične protočne, solarni toranj i parabolični tanjur, te nekoncentrirajuće u

koje spadaju solarni dimnjak i solarni bazen. Prednost koncentrirajućih solarnih termoelektrana u

odnosu na nekoncentrirajuće je u koncentriranju solarnog zračenja kojim se postiže veća gustoća

toka energije čime se proizvodi para koju je lakše pretvoriti u električnu energiju. Trenutno

najzastupljenija tehnologija koncentrirajućih solarnih termoelektrana su parabolične protočne

termoelektrane u koje se uložilo najviše vremena i novca u njihov razvoj. Parabolične protočne

termoelektrane s paraboličnim kolektorom, iako skuplje, postižu veću koncentraciju zračenja a

time i veću učinkovitost od fresnelovih kolektora. Kod solarnih tornjeva najveći napredak je

postignut smanjivanjem površine heliostata te upotrebom kamera za praćenje Sunca čime su

smanjene investicije. Tehnologija paraboličnih tanjura postiže najveću koncentraciju solarnog

zračenja a time i najveću učinkovitost od svih vrsta solarnih termoelektrana ali nedostaci su

cijena i nedovoljno pouzdan rad stirlingovog motora. Solarni dimnjaci su trenutno ograničeni na

demonstracijske elektrane te se u bližoj budućnosti mogu očekivati prvi komercijalni solarni

dimnjaci. Solarni bazeni rade samo kao demonstracijske elektrane te ne vidim neki veći

napredak zbog vrlo niske temperature pri pretvorbi u električnu energiju. Iako su najzastupljenije

parabolične protočne termoelektrane, mišljenja sam kako će solarni tornjevi postati vodeća

tehnologija koncentrirajuće solarne energije zbog postizanja više radne temperature medija a

time i veće učinkovitosti pretvorbe solarnog zračenja u električnu energiju te mogućnosti

primjene izravnog generiranja pare. U svrhu osiguravanja kontinuiranog pogona solarnih

termoelektrana sve više se primjenjuju toplinski spremnici i pomoćni plamenici, čime je u

budućnosti osigurana njihova sve veća upotreba u pokrivanju konstantnog opterećenja EES-a.

Kako udvostručenjem snage opadaju investicijski troškovi za desetak posto, u budućnosti

očekujem drastično povećanje ukupne instalirane snage solarnih termoelektrana u svijetu.

95

LITERATURA

[1] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese, Renewable Energy, Springer, Berlin, 2007.

[2] http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija2.htm#d

[3] http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija7.htm#d

[4] http://www.solarnipaneli.org/2010/09/standardi-incidentnog-solarnog-zracenja/

[5] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_cmsaf_opt/G_opt_HR.pdf

[6] http://www.zelenaenergija.org/hrvatska/clanak/solarne-uzgonske-elektrane/3477

[7] http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/csp_roadmap.pdf

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_tracker

[9] http://hr.wikipedia.org/wiki/Sun%C4%8Deva_termoelektrana_Andasol

[10] http://www.poduzetnistvo.org/news/solarne-elektrane-mogle-bi-opskrbljivati-strujom-

cijelu-europu

[11] http://www.debateco.fr/sites/default/files/2010%20IEA%2BOECD%20on%20Costs%20

Electricity%20.pdf

96

SAŽETAK

SOLARNE TERMOELEKTRANE

U radu je potrebno opisati vrste, principe rada i razvoj različitih tehnologija solarnih

termoelektrana. Navesti tehničke i ekonomske parametre, parametre energetske učinkovitosti te

cijenu proizvodnje električne energije, osobito velikih solarnih termoelektrana. Rad opisuje

utjecaj atmosfere na solarno zračenje, te navodi dostupnu količinu energije na zemljinoj površini.

Navedeni su parametri solarnih termoelektrana i utjecaj toplinskog spremnika na rad istih u

elektroenergetskom sustavu. Opisan je princip rada paraboličnih protočnih i fresnelovih

termoelektrana, njihove prednosti i nedostaci, te su navedene neke izgrađene elektrane. Opisane

su prednosti i nedostaci ravnih i membranskih heliostata, njihov raspored i način na koji prate

Sunce. Pojašnjen je princip rada solarnog tornja, te način apsorpcije solarnog zračenja. Naveden

je princip rada stirlingovog motora upotrijebljenog u paraboličnim tanjurima za pretvorbu

toplinske u električnu energiju. Također, je opisan princip rada solarnih dimnjaka i bazena,

baziranih na nekoncentrirajućoj tehnologiji. Naveden je budući razvoj i implementacija solarnih

termoelektrana, te ekonomska perspektiva i cijena proizvedene električne energije.

Ključne riječi: solarne termoelektrane, parabolični protočni kolektor, heliostat, solarni toranj,

solarni dimnjak, solarni bazen, cijena proizvedene električne energije.

97

ABSTRACT

SOLAR THERMAL POWER PLANTS

In this paper is necessary to describe types, principles of operation and the development of

various technologies of solar thermal power plants. Specify the technical and economic

parameters, parameters of energy efficiency and production cost of electricity, especially in large

solar thermal power plants. This paper describes the influence of the atmosphere on solar

radiation, and states the amount of energy available on the Earth's surface. The parameters of

solar thermal and heat storage effect on the work of the same in the power system are listed. The

working principle of parabolic trough and Fresnel power plants are described, their advantages

and disadvantages, and some of the constructed plants are listed. The advantages and

disadvantages of flat and membrane heliostats, their location and the way they track the sun are

described. Explained the principle of the solar tower, and the method of absorption of solar

radiation. Operation principles of stirlingˋs engine used in parabolic dishes for converting heat

into electricity are listed. Also paper describes the working principle of the solar chimney and

pond, based on non concentrated technology. Future development and implementation of solar

thermal power plants, economic perspective and the cost of produced electricity are specified.

Keywords: solar thermal power plants, parabolic trough collector, heliostat, solar tower, solar

chimney, solar pond, cost of generated electricity.

98

ŽIVOTOPIS

Čajkovac, Hrvoje, rođen 25. veljače 1986. u Vukovaru. Završio je osnovnu školu ”Bartol Kašić”

u Vinkovcima, nakon čega upisuje Tehničku školu ”Ruđer Bošković” u Vinkovcima, pohađao je

program elektrotehnike, zanimanje elektrotehničar. Zvanje Elektrotehničara stječe 2005. godine s

temom maturalnog rada „Biomasa“. Bio je učesnik Državnog natjecanja mladih tehničara u

Kraljevici 2005. godine, te osvojio prvo mjesto u raketnom modelarstvu. Po završetku srednje

škole, 2005. godine, upisuje preddiplomski studij elektrotehnike na Elektrotehničkom fakultetu u

Osijeku, smjer elektroenergetika, koji 2010. godine i završava s temom završnog rada

“Mogućnosti primjene programibilne logičke jedinice LOGO! u električnim pogonima”. Iste

godine upisuje diplomski studij elektrotehnike, smjer elektroenergetika.

Hrvoje Čajkovac