태양열 에너지

Solar thermal energy
루프 장착형 밀착형 서모시폰 태양열 온수기.
전면에 있는 Solnova의 첫 번째 세 유닛, 배경에 PS10과 PS20 태양광 발전소의 두 개의 타워가 있습니다.

태양열 에너지(STE)는 에너지 형태이며 산업 및 주거 및 상업 부문에서 사용할 수 있도록 태양열 에너지를 생성하기 위한 기술입니다.

태양열 수집기는 미국 에너지 정보국에 의해 저온, 중온 또는 고온 수집기로 분류됩니다.저온 수집기는 일반적으로 유리를 사용하지 않으며 수영장 또는 환기 공기를 가열하는 데 사용됩니다.중온 컬렉터도 보통 평판이지만 주거용 및 상업용 물이나 공기를 가열하는 데 사용됩니다.

고온 수집기는 거울이나 렌즈를 사용하여 햇빛을 집중시키며, 일반적으로 업계에서 최대 300°C/20bar 압력의 열 요구 사항을 충족하고 전력 생산에 사용됩니다.두 가지 범주는 산업의 열 요구 사항을 충족하기 위한 집중형 태양열(CST)과 집열된 열을 전력 발전에 사용할 때의 집중형 태양열 발전(CSP)을 포함한다.CST와 CSP는 응용 프로그램 측면에서 대체할 수 없습니다.

가장 큰 시설은 캘리포니아와 네바다의 American Mojave 사막에 있습니다.이 공장들은 다양한 기술을 사용한다.가장 큰 예로는 모로코의 와르자테 태양광 발전소(510MW), 이반파 태양광 시설(377MW), 태양광 발전 시스템 설치(354MW), 크레센트 사구(110MW) 등이 있다.스페인은 태양광 발전소의 또 다른 주요 개발국이다.가장 큰 예로는 솔노바 태양광발전소(150MW), 안다솔 태양광발전소(150MW), 엑스트라솔 태양광발전소(100MW) 등이 있다.

역사

Augustin Mouchot은 1878년 파리에서 열린 만국 박람회에서 냉각 엔진을 장착한 태양열 수집기를 시연했다.태양 열 에너지 장비의 첫 설치는 약 1910년 프랭크 슈만에 의해 사하라 사막에서 햇빛에 의해 생성된 증기로 증기 엔진이 작동되었을 때 일어났다.액체 연료 엔진이 개발되어 더욱 편리해졌기 때문에, 사하라 사막 프로젝트는 포기되었고, 수십 [1]년 후에 다시 검토되었다.

저온 냉난방

주요 기사:HVAC, 태양열, 수동형 태양열 건물 설계, 열질량, 트롬베 벽, 태양열 굴뚝, 태양열 에어컨 및 계절형 열 에너지 저장
1939년에 지어진 MIT의 Solar House #1은 연중 난방용으로 계절 열 에너지 저장 장치(STES)를 사용했습니다.

저온 태양열 에너지를 이용하는 시스템에는 열 수집 수단, 보통 단기 또는 계절 간 열 저장, 구조물 또는 지역 난방 네트워크 내 분배 등이 포함됩니다.경우에 따라 하나의 기능이 이러한 것 중 하나 이상을 수행할 수 있다(예: 일부 종류의 태양열 집열기도 열을 저장).수동형 시스템과 능동형 시스템(다른 외부 에너지 필요)[2]이 있습니다.

난방은 가장 명백한 용도이지만, 태양열 냉각은 열 구동식 흡수식 또는 흡착식 냉각기(히트 펌프)를 사용하여 건물 또는 지역 냉각에 사용할 수 있습니다.일사로 인한 구동 열이 클수록 냉각 출력이 커진다는 생산적 우연이 있습니다.1878년, 오귀스트 무슈는 냉동 [3]장치에 부착된 태양 증기 엔진을 사용하여 얼음을 만들어 태양 냉각을 개척했다.

미국에서 난방, 환기, 공조(HVAC) 시스템은 상업용 건물에서 사용되는 에너지의 25%(4.75EJ) 이상(북쪽 도시에서는 50%) 및 주거용 [4][5]건물에서 사용되는 에너지의 거의 절반(10.1EJ)을 차지한다.태양열 난방, 냉방 및 환기 기술을 사용하여 이 에너지의 일부를 상쇄할 수 있습니다.건물 난방에서 가장 인기 있는 태양열 난방 기술은 건물의 HVAC 장비와 연결되는 건물 일체형 송풍 태양열 공기 수집 시스템입니다.태양광 산업 협회에 따르면, 이 패널 중 50만2 m (500,000,000 평방 피트) 이상이 2015년 기준으로 북미에서 가동되고 있다.

유럽에서는 1990년대 중반부터 약 125개의 대형 태양열 지역 난방 공장이 건설되었으며, 각 공장은 500m2(5400ft2) 이상의 태양열 집열기를 갖추고 있다.최대 크기는 약 10,000m이며2, 용량은 7MW, 태양열 비용은 약 4유로/k이다.보조금도 [6]없이.이들 중 40개는 1MW 이상의 공칭 용량을 가진다.솔라 지역 난방 프로그램(SDH)은 유럽 14개국과 유럽 집행위원회가 참여해 기술 및 시장 개척에 힘쓰고 있으며 연례 회의를 개최하고 [7]있다.

저온 수집기

주요 기사:태양열 집열기

유리 태양 집열기는 주로 공간 난방을 위해 설계되었다.그들은 태양열 공기 패널을 통해 건물 공기를 재순환시켜 공기가 가열된 후 다시 건물 안으로 향하게 합니다.이러한 태양열 공간 난방 시스템은 적어도 두 개의 건물 안으로 침투해야 하며 태양열 집열기의 공기가 건물 실내 온도보다 더 따뜻할 때만 작동합니다.대부분의 유리 수집가들은 주택 부문에서 사용된다.

유리를 사용하지 않은 "투과" 공기 수집기

비유리 태양열 집열기는 주로 높은 환기 부하를 가진 상업, 산업 및 시설 건물의 보충 환기 공기를 예열하는 데 사용된다.그들은 건물 벽이나 벽의 단면을 저비용으로 고성능의 무유리 태양열 집열기로 바꾼다."투과 태양 전지판" 또는 "태양광 벽"이라고도 불리는 이 패널은 건물의 외벽 표면으로도 사용되는 도장된 다공성 금속 태양열 흡수기를 사용합니다.공기로의 열 전달은 업소버 표면, 금속 업소버를 통해 업소버 뒤쪽에서 이루어집니다.태양열로 가열된 공기의 경계층은 열이 외부 공기로 대류하여 빠져나오기 전에 근처의 천공으로 빨려 들어갑니다.그런 다음 가열된 공기가 업소버 플레이트 뒤에서 건물의 환기 시스템으로 흡입됩니다.

  • Building integrated unglazed transpired solar air collector with grey walls and white canopy/collection ducts

    회색 벽과 흰색 캐노피/채취 덕트를 갖춘 일체형 무유리 증산형 태양열 집열기

트롬브 벽은 창문과 태양을 향한 열 덩어리 사이에 끼인 공기 채널로 구성된 수동형 태양열 난방 및 환기 시스템입니다.환기 사이클 동안 햇빛은 열량에 열을 저장하고 공기 채널을 따뜻하게 하여 벽의 상부와 하부에 있는 환기구로 순환시킵니다.가열 사이클 동안 Trombe 벽은 저장된 [8]열을 방사합니다.

태양열 난방과 냉방을 위한 태양 지붕 연못은 1960년대에 Harold Hay에 의해 개발되었다.기본 시스템은 지붕에 장착된 물 방광과 가동식 절연 커버로 구성됩니다.이 시스템은 밤과 낮 사이에 방광을 가리고 노출시킴으로써 실내와 외부 환경 간의 열 교환을 제어할 수 있습니다.난방이 우려되는 경우 낮에 방광이 노출되어 햇빛이 물 방광을 따뜻하게 하고 저녁에 사용할 수 있도록 열을 저장합니다.냉각이 중요한 경우, 덮인 방광은 낮에는 건물 내부로부터 열을 흡수하고 밤에는 개방되어 더 차가운 대기로 열을 방출합니다.캘리포니아 아타스카데로의 Skytherm 주택은 난방과 [9]냉방을 위해 원형 지붕 연못을 사용합니다.

미국과 캐나다에서는 대부분의 건물에 난방과 냉방을 위한 환기 시스템이 이미 설치되어 있기 때문에 태양열 공기 집열기를 이용한 태양열 난방은 태양열 액체 집열기를 이용한 난방보다 더 인기가 있다.태양열 공기 패널의 두 가지 주요 유형은 유리와 무유리로 되어 있습니다.

2007년 미국에서 생산된 2,100,000 평방 피트(2,000,0002 m)의 태양열 집열기 중 1,600,000 평방 피트(1,500,0002 m)는 저온 [10]품종이었다.저온 집열기는 일반적으로 수영장 난방을 위해 설치되지만 공간 난방에도 사용할 수 있습니다.수집기는 공기나 물을 매개체로 사용하여 열을 목적지로 전달할 수 있습니다.

공간 난방을 위한 열 저장소

주요 기사:계절별 열 에너지 저장소

계절 열 에너지 저장 장치(STES)라고 불리는 성숙한 기술의 집합은 한 번에 몇 달 동안 열을 저장할 수 있기 때문에, 주로 여름에 수집되는 태양열을 연중 난방에 사용할 수 있습니다.태양광 공급 STES 기술은 주로 덴마크,[11] 독일 [12]및 캐나다에서 [13]발전되어 왔으며, 개별 건물과 지역 난방 네트워크가 적용되고 있습니다.캐나다 앨버타의 Drake Landing Solar Community는 소규모 지역 시스템을 가지고 있으며, 2012년에 지역사회의 연중 공간 난방 수요의 97%를 [14]태양으로부터 제공하는 세계 기록을 달성했습니다.STES 열 저장 매체에는 심층 대수층, 소경 열 교환기가 장착된 보어홀 클러스터, 자갈과 단열재로 채워진 크고 얕은 라인드 피트, 그리고 대형 단열 및 매립된 표면 수조가 포함됩니다.

집중화된 지역 난방은 집중형 태양열(CST) 저장 [15]플랜트를 통해 24시간 내내 가능합니다.


계절에 따른 스토리지.태양열(또는 다른 원천으로부터의 열)은 대수층, 지하 지질층, 특별히 건설된 대형 피트, 단열되고 흙으로 덮인 대형 탱크에 계절마다 효과적으로 저장될 수 있다.

단기 보관.열질량 물질은 낮에는 태양 에너지를 저장하고 낮에는 이 에너지를 방출합니다.일반적인 열질량 재료는 돌, 콘크리트, 물을 포함한다.열질량의 비율과 배치는 기후, 채광 및 음영 조건과 같은 여러 요소를 고려해야 한다.열량이 적절히 통합되면 에너지 소비를 줄이면서 수동적으로 쾌적한 온도를 유지할 수 있습니다.

태양열 냉각

주요 기사:솔라 에어컨

2011년까지 전 세계적으로 약 750대의 태양열 열 펌프가 장착된 냉각 시스템이 있었으며, 지난 7년간 연간 시장 성장률은 40-70%였습니다.연간 냉각 시간이 제한적인 요인으로 작용하기 때문에 경제성이 까다롭기 때문에 틈새 시장입니다.연간 냉방 시간은 지중해가 약 1000시간, 동남아시아가 2500시간, 중앙유럽이 50~200시간이다.그러나 2007년부터 2011년까지 시스템 구축 비용은 약 50% 감소했습니다.국제에너지기구(IEA)의 태양열 냉난방 프로그램(IEA-SHC) 태스크 그룹.[16] 관련 기술의 추가 개발에 힘쓰고 있습니다.

태양열 환기

태양열 굴뚝(또는 열 굴뚝)은 건물 내부와 외부를 연결하는 중공 열 덩어리로 구성된 수동형 태양열 환기 시스템입니다.굴뚝이 따뜻해지면서 내부의 공기가 가열되어 상승기류를 일으켜 건물을 통해 공기를 끌어당긴다.이러한 시스템은 로마 시대부터 사용되어 왔고 중동에서 여전히 흔하다.

프로세스 열

주요 기사:태양연못, 염증발지 및 태양로
아타카마 사막의 태양 증발 연못.

태양열 공정 난방 시스템은 비주거용 [17]건물에 대량의 온수 또는 공간 난방을 제공하도록 설계되었습니다.

증발지는 기화를 통해 용해된 고형물을 농축하는 얕은 연못이다.바닷물로부터 소금을 얻기 위해 증발 연못을 사용하는 것은 태양 에너지의 가장 오래된 응용 분야 중 하나이다.현대의 용도에는 침출수 채굴에 사용되는 염수 용액을 농축하고 폐기물 흐름에서 용해된 고형물을 제거하는 것이 포함됩니다.전체적으로, 증발지는 오늘날 사용되는 [18]태양 에너지의 가장 큰 상업적 응용 분야 중 하나입니다.

유리되지 않은 증착식 집열기는 환기 공기를 예열하는 데 사용되는 다공성 태양 방향 벽체입니다.또한 연중 내내 사용할 수 있도록 지붕을 장착할 수 있으며 유입 공기 온도를 최대 22°C까지 높이고 45-60°C의 배출구 온도를 제공할 수 있습니다.발생된 수집기의 투자 회수 기간(3~12년)이 짧기 때문에 유리 수집 시스템의 비용 효율이 더 높습니다.2015년 기준으로, 총 수집기 면적 500,000m의2 4000개 이상의 시스템이 전 세계에 설치되었습니다.대표적으로 코스타리카의 860m2 수집기와 인도의 코임바토르의 1300m2 수집기가 [19][20]있다.

캘리포니아 모데스토의 한 식품 가공 시설은 포물선 홈을 사용하여 제조 공정에서 사용되는 증기를 생산합니다.5,000m2 콜렉터 구역은 연간 [21]15개의 TJ를 제공할 것으로 예상됩니다.

중온 수집기

주요 기사: 태양열 온수 난방

이러한 수집기는 미국에서 [22]주거 및 상업적 사용에 필요한 온수의 약 50% 이상을 생산하는 데 사용될 수 있다.미국에서는 일반적인 시스템의 소매가격이 4,000~6,000달러(자재 도매가격은 1400~2200달러)이며, 시스템의 30%는 연방세액공제 대상이며, 주정부 공제는 주의 절반에 존재합니다.남부 기후에서 단순 개방 루프 시스템에 대한 노동은 설치에 3~5시간, 북부 지역에서는 4-6시간이 걸릴 수 있습니다.북부 시스템은 수집기가 얼지 않도록 더 많은 수집기 공간과 더 복잡한 배관을 필요로 합니다.이 인센티브를 통해 일반 가구의 투자 회수 기간은 주에 따라 4년에서 9년이다.비슷한 보조금이 유럽의 일부 지역에 존재한다.최소 훈련을 받은 태양광 배관공 한 명과 보조원 두 명이 하루에 시스템을 설치할 수 있습니다.서모시폰 설치는 유지비가 거의 들지 않으며(부동액과 주전원을 순환에 사용하면 비용이 상승) 미국에서는 가구 운영비가 매달 6달러씩 절감됩니다.태양열 온수 가열은 4인 가족의 CO 배출량을 1톤/년([23]천연가스를 대체하는 경우) 또는 3톤/년(전기를 교체하는 경우)까지2 줄일 수 있습니다.중온 설비는 몇 가지 설계 중 하나를 사용할 수 있습니다. 일반적인 설계는 가압 글리콜, 배수 역류, 배치 시스템 및 태양광 펌핑 기능이 있는 물을 포함하는 폴리머 파이프를 사용하는 새로운 저압 동결 내구성 시스템입니다.유럽 및 국제 표준은 중온 수집기의 설계 및 운영 혁신을 수용하기 위해 검토되고 있다.운영 혁신에는 "영구 습식 수집기" 운영이 포함됩니다.이 혁신은 정체라고 불리는 무유동 고온 스트레스의 발생을 줄이거나 제거하며, 그렇지 않으면 수집기의 기대 수명을 감소시킬 수 있습니다.

태양 건조

태양열 에너지는 건축용 목재와 연소를 위한 목재 칩과 같은 목재 연료를 건조시키는데 유용할 수 있습니다.태양열은 과일, 곡물, 생선과 같은 식품에도 사용된다.태양광에 의한 작물 건조는 친환경적이고 비용 효율적이며 품질도 향상됩니다.제품을 만드는 데 드는 돈이 적을수록, 구매자와 판매자 모두에게 기쁨을 주면서, 더 적은 가격에 팔 수 있다.태양열 건조 기술로는 검은색 천을 기반으로 한 초저비용 펌프식 증산판 공기 수집기가 있습니다.태양열에너지는 공기를 [24]통과시켜 수분을 제거하면서 온도를 높여 우드칩 등 바이오매스를 건조시키는 과정에서 도움이 된다.


요리.

주요 기사:태양열 조리기
인도 오로빌의 솔라 키친 위에 있는 솔라 볼은 요리에 사용할 수 있는 증기를 만들기 위해 움직이는 리시버에 햇빛을 집중시킵니다.

태양열 조리기는 요리, 건조, 저온 살균을 위해 햇빛을 사용한다.태양열 조리법은 연료비를 상쇄하고, 연료나 장작에 대한 수요를 줄이며, 연기의 원천을 줄이거나 제거함으로써 공기의 질을 향상시킨다.

가장 간단한 형태의 태양열 조리기는 1767년 호레이스 드 소쇠르에 의해 처음 만들어진 상자 조리기입니다.기본 박스 쿠커는 투명한 뚜껑이 달린 단열 용기입니다.이러한 조리기는 부분적으로 흐린 하늘에서도 효과적으로 사용할 수 있으며 일반적으로 50-100°[25][26]C의 온도에 도달합니다.

집광형 태양열 조리기는 반사체를 사용하여 태양 에너지를 조리 용기에 집중시킵니다.가장 일반적인 반사기 형상은 평판, 디스크 및 포물선 트로프 유형입니다.이러한 설계는 보다 빠르고 높은 온도(최대 350°C)에서 조리되지만 제대로 작동하려면 직접 빛이 필요합니다.

인도 오로빌에 있는 솔라 키친은 솔라 보울로 알려진 독특한 집중 기술을 사용한다.기존의 추적 반사기/고정 수신기 시스템과 달리, 태양 그릇은 태양이 하늘을 가로질러 이동할 때 빛의 초점을 추적하는 수신기가 있는 고정된 구형 반사기를 사용합니다.솔라볼의 리시버는 매일 2,000개의 식사를 [27]조리하는 데 도움이 되는 증기를 생산하는 데 사용되는 150°C의 온도에 도달합니다.

인도의 다른 많은 태양열 주방들은 쉐플러 반사기로 알려진 또 다른 독특한 집중 기술을 사용한다.이 기술은 1986년 볼프강 셰플러에 의해 처음 개발되었습니다.쉐플러 반사경은 단축 추적을 사용하여 태양의 일상을 따라가는 포물선 접시입니다.이러한 반사체는 햇빛 입사 각도의 계절적 변화에 따라 곡률을 변경할 수 있는 유연한 반사 표면을 가지고 있다.쉐플러 리플렉터는 조리 편의성을 향상시키고 450-650°[28]C의 온도에 도달할 수 있는 고정된 초점을 가지고 있다는 장점이 있습니다.1999년 아부 로드에 있는 세계 최대 쉐플러 반사 시스템인 브라흐마 쿠마리스에 의해 건설된 라자스탄 인디아는 하루에 [29]최대 3만 5천 끼를 요리할 수 있다.2008년 초까지 쉐플러 디자인의 대형 조리기가 전 세계에 2000대 이상 건설되었습니다.

증류

주요 기사:솔라 스틸

태양열 스틸은 깨끗한 물이 흔하지 않은 지역에서 식수를 만드는 데 사용될 수 있다.태양 증류는 사람들에게 정제수를 제공하기 위해 이러한 상황에서 필요하다.태양 에너지는 고요한 곳에서 물을 데운다.그러면 물이 증발하고 커버 [24]유리 바닥에서 응축됩니다.

고온 수집기

주요 기사:집광 태양 에너지
캘리포니아 주 샌버너디노 카운티의 354MW SEGS 태양광 단지 일부.
프랑스 피레네-오리엔탈레스의 오데요에 있는 태양열로는 3,500°C까지 온도가 올라갈 수 있습니다.

약 95°C 미만의 온도가 충분한 경우, 공간 난방의 경우 일반적으로 비응축 유형의 평판 수집기를 사용한다.유리를 통한 열 손실이 상대적으로 높기 때문에 열 전달 유체가 정체된 경우에도 평판 수집기는 200°C를 훨씬 초과하는 온도에 도달하지 않습니다.이러한 온도는 전기로의 효율적인 전환을 하기에는 너무 낮다.

열 엔진의 효율은 열원의 온도에 따라 증가합니다.태양 열 에너지 발전소에서 이를 달성하기 위해, 태양 복사는 더 높은 온도를 얻기 위해 거울이나 렌즈에 의해 집중되는데, 이것은 집중 태양 에너지라고 불리는 기술이다.고효율의 실질적인 효과는 발전소의 수집기 크기와 발전 단위 전력당 총 토지 사용을 감소시켜 발전소의 환경 영향과 비용을 감소시키는 것이다.

온도가 상승함에 따라 다양한 형태의 변환이 실용화됩니다.최대 600°C, 증기 터빈, 표준 기술, 최대 41%의 효율성을 제공합니다.600°C 이상에서는 가스 터빈이 더 효율적일 수 있습니다.다른 재료와 기술이 필요하기 때문에 더 높은 온도는 문제가 됩니다.고온에 대한 제안 중 하나는 700°C - 800°C 사이에서 작동하는 액체 불소염을 사용하고 다단 터빈 시스템을 사용하여 50% 이상의 열 [30]효율을 달성하는 것입니다.가동 온도가 높기 때문에 발전소는 고온의 건조 열교환기를 열 배기에 사용할 수 있으며, 이는 발전소의 물 사용을 줄여주며, 이는 대형 태양광 발전소가 실용적인 사막에서 매우 중요합니다.고온에서는 단위 유체당 저장 전력량이 증가하므로 열 저장 효율도 높아집니다.

상업용 집광형 태양광 발전소는 1980년대에 처음 개발되었다.세계에서 가장 큰 태양광 화력발전소는 현재 캘리포니아 모하비 사막에 위치한 370 MW의 Ivanpah 솔라 발전 시설과 354 MW의 SEGS CSP 시설로, 이 두 시설 모두 다른 여러 태양광 프로젝트도 실현되었습니다.2013년 아랍에미리트 아부다비 인근에 건설된 샴스 태양광 발전소를 제외하고, 100MW 이상의 모든 CSP 발전소는 미국 또는 스페인에 위치하고 있다.

CSP의 주된 장점은 열 저장 장치를 효율적으로 추가할 수 있다는 점이며, 최대 24시간 동안 전력을 공급할 수 있다는 것입니다.피크 전력 수요는 일반적으로 오후 [31]4시에서 8시 사이에 발생하기 때문에, 많은 CSP 발전소는 3~5시간의 열 저장 공간을 사용합니다.현재 기술로는 열 저장량이 전기 저장량보다 훨씬 저렴하고 효율적입니다.이와 같이 CSP 발전소는 밤낮으로 전기를 생산할 수 있습니다.CSP 사이트에 예측 가능한 태양 방사선이 있으면 CSP 발전소는 신뢰할 수 있는 발전소가 된다.백업 연소 시스템을 설치함으로써 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.백업 시스템은 CSP 플랜트의 대부분을 사용할 수 있기 때문에 백업 시스템의 비용이 절감됩니다.

신뢰성, 미사용 사막, 무공해, 연료비 등 CSP의 대규모 배치에 필요한 고압선 접속에 대한 비용, 미관, 토지 이용 및 유사한 요소가 걸림돌이 되고 있습니다.사막의 극히 일부만이 전 세계 전력 수요를 충족시키는 데 필요하지만, 여전히 많은 양의 에너지를 얻기 위해서는 넓은 지역이 거울이나 렌즈로 덮여 있어야 한다.비용을 절감하는 중요한 방법은 단순한 설계를 사용하는 것입니다.

대부분의 전력에 사용되는 화석 연료의 탐사 및 추출과 전환과 관련된 토지 이용 영향을 고려할 때, 유틸리티 규모의 태양광 발전은 이용 가능한 [32]가장 토지 효율적인 에너지 자원 중 하나로 비교된다.

연방정부는 태양광 개발보다 석유 및 가스 임대 사업에 거의 2,000배 더 많은 면적을 할애하고 있다.2010년 국토관리국은 총 3,682 메가와트, 약 40,000 에이커에 달하는 9개의 대규모 태양광 프로젝트를 승인했다.반면 2010년 토지관리국은 5,200건 이상의 가스·석유 리스를 처리해 1,308건의 리스를 발행해 총 320만 에이커의 리스를 발행했다.현재 멕시코만에서는 3,820만 에이커의 육지 공유지와 3,690만 에이커의 해양 탐사가 석유 및 가스 개발, 탐사 및 [32][failed verification]생산을 위해 임대되고 있다.

시스템 설계

낮에는 태양의 위치가 다르다.저농도 시스템(및 저온)의 경우 비이미징 광학 장치를 사용하면 [33][34]추적을 피할 수 있습니다(또는 연간 몇 개 위치로 제한).그러나 고농도의 경우 거울이나 렌즈가 움직이지 않으면 거울이나 렌즈의 초점이 바뀝니다.태양의 위치를 따라가는 추적 시스템이 필요합니다.추적 시스템은 비용과 복잡성을 증가시킵니다.이를 염두에 두고, 다른 디자인은 빛을 집중시키고 태양의 위치를 추적하는 방법에 따라 구별될 수 있다.

포물선 홈 설계

주요 기사: 포물선 홈
포물선 홈 설계의 스케치입니다.리시버와 평행한 태양 위치를 변경하기 위해 미러를 조정할 필요가 없습니다.

포물선 수조 발전소는 반사체의 초점에 위치한 수조 길이를 흐르는 유체(리시버, 흡수체 또는 수집기라고도 함)를 포함하는 유리 튜브에 직접 태양 복사를 반사하는 곡선 형태의 수조를 사용합니다.트로프는 한 축을 따라 포물선 모양으로 되어 있으며 직교 축에서 선형으로 나타납니다.리시버에 수직인 태양의 일일 위치를 변경하기 위해 트로프는 직접 방사선이 리시버에 집중되도록 동쪽에서 서쪽으로 기울어집니다.그러나 빛이 단순히 수신기의 다른 곳에 집중되기 때문에 수조에 평행한 햇빛 각도의 계절적 변화는 거울을 조정할 필요가 없습니다.따라서 트로프 설계는 두 번째 축에서 추적할 필요가 없습니다.수신기는 유리 진공 챔버에 밀폐될 수 있습니다.진공은 대류 열 손실을 크게 감소시킨다.

유체(열전달 유체라고도 함)는 리시버를 통과하여 매우 뜨거워집니다.일반적인 유체는 합성유, 용융염 및 가압증기입니다.열을 포함하는 유체는 열 엔진으로 운반되고 열의 약 1/3이 전기로 변환됩니다.

실물 크기의 포물선 트로프 시스템은 넓은 면적에 걸쳐 병렬로 배치된 많은 이러한 트로프로 구성된다.1985년부터 이 원리를 이용한 태양열 시스템이 미국 캘리포니아에서 본격 가동되고 있다.그것은 태양 에너지 생성 [35]시스템이라고 불린다.다른 CSP 설계에는 이러한 오랜 경험이 없기 때문에 현재 포물선 트로프 설계는 가장 철저하게 검증된 CSP 기술이라고 할 수 있습니다.

SEGS는 총 354 MW의 용량을 가진 9개의 발전소의 집합체이며 수년 동안 화력발전소와 비열발전소 모두 세계 최대 규모의 태양광 발전소였다.새로운 발전소는 64 MW의 용량을 가진 네바다 솔라 원 발전소이다. 150 MW의 안다솔 태양광 발전소는 각 부지에 50 MW의 용량을 가진 스페인에 있다. 그러나 이러한 발전소는 증기 터빈 발전기의 크기에 비해 더 큰 분야의 태양열 집열기를 사용하여 열을 저장하고 열을 보낸다.동시에 증기 터빈을 사용합니다.열 저장으로 증기 터빈의 활용도를 높일 수 있습니다.50 MW 피크 용량에서 증기 터빈 안다솔 1을 주간 및 야간으로 가동하면 전 발전소의 열 에너지 저장 시스템과 더 큰 태양장으로 인해 64 MW 피크 용량에서 네바다 솔라 원보다 더 많은 에너지를 생산합니다.280MW Solana Generating Station은 2013년 애리조나주에서 6시간 동안 전력을 저장하여 온라인으로 가동되었습니다.알제리의 Hassi R'Mel 통합 태양광 복합발전소와 마틴 차세대 태양광 센터는 둘 다 천연가스와 결합된 사이클로 포물선 트로프를 사용한다.

밀폐 수조

주요 기사: 포물선 홈
밀폐된 수조 시스템 내부

밀폐된 수조 구조는 온실 같은 유리 하우스 안에 태양 열 시스템을 캡슐화합니다.유리 하우스는 태양열 시스템의 [36]신뢰성과 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 요소를 견딜 수 있는 보호 환경을 조성합니다.

유리하우스 구조 내에 경량 곡면 태양 반사경을 매달아 둔다.단일 축 추적 시스템은 태양을 추적하고 그 빛을 유리 하우스 [37]구조물에 매달아 놓은 고정된 강철 파이프 네트워크에 집중시키기 위해 거울을 배치합니다.수증기는 열 교환기나 중간 작동 유체 없이 파이프 길이 전체에 걸쳐 유입구에서 물이 흐르기 때문에 유전 품질의 물을 사용하여 직접 생성됩니다.

생성된 증기는 현장의 기존 증기 분배 네트워크로 직접 공급되며, 여기서 증기는 오일 저장고 깊숙이 지속적으로 주입됩니다.바람으로부터 거울을 보호하면 더 높은 온도 속도를 달성할 수 있고 [36]습기에 노출되어 먼지가 쌓이는 것을 방지할 수 있습니다.밀폐형 트로프 디자인을 만든 회사 글래스포인트 솔라는 자사의 기술로 햇빛이 잘 드는 지역에서 약 5백만 영국 열 유닛에 EOR용 열을 생산할 수 있다고 밝히고 있는데, 이는 다른 기존 태양열 기술의 [38]경우 10달러에서 12달러 사이이다.

GlassPoint의 폐쇄형 수조 시스템은 오만의 Miraah 시설에서 사용되었으며, 최근 이 회사가 폐쇄형 수조 기술을 캘리포니아 [39]베이커스필드 근처의 사우스 벨리지 유전으로 가져오는 새로운 프로젝트가 발표되었습니다.

파워타워 설계

주요 기사:태양광 발전탑
2014년 2월 3개의 타워 모두에 부하가 걸린 이반파 태양광 발전 시스템.캘리포니아 샌버너디노 카운티의 15번 고속도로에서 찍힌 사진이에요멀리 클라크 산맥이 보인다.

송전탑은 약 2평방마일의 들판에 있는 수천 개의 추적 거울로 태양의 열에너지를 포착하고 초점을 맞춘다.타워는 헬리오스타트 필드의 중앙에 있습니다.헬리오스타트는 집중된 햇빛을 탑 꼭대기에 있는 수신기에 집중시킵니다.리시버 내에서는 햇빛이 녹은 소금을 538°C(1,000°F) 이상으로 가열합니다.가열된 용융 소금은 저장 탱크로 흘러 들어가 저장되며, 열효율이 98%를 유지하며 증기 발생기로 펌핑됩니다.증기는 전기를 생산하기 위해 표준 터빈을 구동한다."랭킨 사이클"이라고도 알려진 이 과정은 태양 에너지로 연료를 공급한다는 점을 제외하면 표준 석탄 화력발전소와 유사합니다.

포물선 홈 설계보다 이 설계의 장점은 높은 온도입니다.고온에서 열에너지는 전기로 보다 효율적으로 전환될 수 있으며 나중에 사용하기 위해 더 저렴하게 저장될 수 있습니다.게다가 지면적을 평평하게 할 필요도 적다.원칙적으로 언덕에 전력탑을 건설할 수 있다.거울은 평평할 수 있고 배관은 타워에 집중되어 있습니다.단점은 각 미러에 자체 이중 축 제어가 있어야 하는 반면 포물선 트로프 설계에서는 대규모 미러 어레이에 대해 단일 축 추적을 공유할 수 있다는 것입니다.

NREL은 2020년까지 전력탑에서 5.47µ/kWh, 포물선 홈에서 6.21µ/kWh의 전기를 생산할 수 있을 것으로 추정하는 전력탑과 포물선 홈 농축기의 비용/성능 비교를 실시했다.송전탑의 용량 인자는 72.9%, 포물선 [40]홈의 경우 56.2%로 추정되었다.저렴하고 내구성이 뛰어나며 대량 생산이 가능한 헬리오스타트 발전소의 부품 개발로 이러한 비용을 절감할 [41]수 있을 것이라는 희망이 있습니다.

최초의 상업용 타워형 발전소는 스페인의 PS10으로, 11MW의 용량을 갖추고 있으며, 2007년에 완공되었습니다.그 이후로 여러 개의 발전소가 여러 나라(스페인, 독일, 미국, 터키, 중국, 인도)에 건설되었지만, 태양광 발전 태양 에너지 가격이 폭락함에 따라 몇몇 제안된 발전소가 취소되었다.2016년 [42]남아프리카에서 태양광 발전 타워가 가동되었다.캘리포니아의 Ivanpah Solar Power 시설은 3개의 타워에서 392 MW의 전력을 생산하여 2013년 말 가동되었을 때 가장 큰 태양광 발전소가 되었다.

식기 디자인

스털링 엔진의 발열 소자에 태양 광선을 집중시키는 포물선 모양의 태양 접시입니다.전체 유닛이 태양 추적기 역할을 합니다.

접시 스털링 시스템은 대형 반사 포물선 접시(위성 TV 접시와 모양이 유사함)를 사용한다.그것은 접시를 비추는 모든 햇빛을 접시 위의 한 지점에 집중시키고, 그곳에서 수신기가 열을 포착하여 유용한 형태로 변형시킵니다.일반적으로 접시는 접시-스털링 시스템의 스털링 엔진과 결합되지만 증기 엔진이 [43]사용되는 경우도 있습니다.이것들은 전기 [44]발전기를 사용하여 전기로 전환될 수 있는 회전 운동 에너지를 생성한다.

2005년 남캘리포니아 에디슨은 스털링 에너지 시스템즈로부터 태양광 엔진 스털링 엔진을 20년 동안 구매하기로 합의했으며, 500메가와트의 전력을 생산할 수 있는 양(20,000대)을 제공하기로 했습니다.2010년 1월, 스털링·에너지·시스템즈와 테세라·솔라사는,[45] 스털링·테크놀로지를 이용한 최초의 1.5 메가와트·발전소(Maricopa Solar)의 시연을 애리조나주 피오리아에 의뢰했습니다.2011년 초 스털링 에너지의 개발 부문인 Tessera Solar는 709 MW 임페리얼 프로젝트와 850 MW Calico 프로젝트를 AES Solar와 K에 매각했습니다.각각 [46][47]도로.2012년 United Sun Systems에 [48]의해 Maricopa 공장이 인수되어 해체되었습니다.유나이티드 선 시스템즈는 V자형 스털링 엔진과 33kW의 피크 출력을 기반으로 한 신세대 시스템을 출시했다.새로운 CSP-Stirling 기술을 통해 LCOE를 [citation needed]USD 0.02로 낮출 수 있습니다.

개발사인 스웨덴 리스파소에너지에 따르면 2015년 남아프리카공화국 칼라하리 사막에서 테스트한 디시 스털링 시스템은 34%[49]의 효율성을 보였다.

플레넬 테크놀로지

플레넬 반사기

리니어 프레넬 리플렉터 발전소에서는 일련의 길고 좁은 얕은 곡선(또는 평평한) 미러를 사용하여 미러 위에 위치한 하나 이상의 선형 리시버에 빛을 집중시킵니다.리시버 위에 작은 포물선 미러를 부착하여 빛의 초점을 더욱 맞출 수 있습니다.이러한 시스템은 추적에 하나의 축이 있는 단순한 라인 포커스 지오메트리를 사용하면서도 여러 미러 간에 수신기를 공유함으로써 전체 비용을 절감하는 것을 목표로 합니다.이는 트로프 설계와 유사합니다(또한 중앙 타워 및 이중 축이 있는 접시와는 다릅니다).리시버는 정지 상태이므로 유체 커플링이 필요하지 않습니다(수조 및 접시 등).또한 미러는 수신기를 지지할 필요가 없기 때문에 구조적으로 심플합니다.적절한 조준 전략(하루 중 다른 시간에 다른 수신기를 겨냥한 미러)을 사용하면 사용 가능한 육지 영역에서 미러의 밀도를 높일 수 있습니다.

경쟁하는 단일 축 추적 기술로는 비교적 새로운 LFR(Linear Fresnel Reflector) 및 Compact-LFR(CLFR) 기술이 있습니다.LFR은 흡수기가 미러 필드 위의 공간에 고정되어 있다는 점에서 포물선 트로프의 것과 다릅니다.또, 리플렉터는 다수의 로우 세그먼트(segment)로 구성되어 있으며, 이들 세그먼트는 [50]리플렉터 회전축에 평행하게 주행하는 고가 장척 타워 리시버에 집합적으로 초점을 맞추고 있다.

프레넬 렌즈 농축기의 시제품은 International Automated [51]Systems에서 열에너지를 수집하기 위해 생산되었습니다.플레넬 렌즈를 광전지와 함께 사용하는 제품은 이미 [52]제공되고 있지만 플레넬 렌즈를 사용하는 본격적인 열 시스템은 가동되지 않는 것으로 알려져 있다.

마이크로 CSP

MicroCSP는 지역사회 규모의 발전소(1~50MW), 산업, 농업 및 제조업의 '공정 난방' 애플리케이션 및 리조트 수영장, 워터파크, 대형 세탁 시설, 살균, 증류 및 기타 용도와 같은 대량의 온수가 필요할 때 사용됩니다.

집열 및 교환

태양 열 시스템의 열은 5가지 기본 원리에 의해 유도됩니다: 열 이득, 열 전달, 열 저장, 열 수송, 그리고 단열.[53]여기서 열은 물체의 온도, 질량 및 비열에 의해 결정되는 물체에 포함된 열 에너지의 양입니다.태양열 화력발전소는 열교환을 위해 일정한 작업조건에 맞게 설계된 열교환기를 사용한다.구리 열 교환기는 구리의 높은 열 전도율, 대기 및 물의 부식 저항성, 납땜에 의한 밀봉 및 접합 및 기계적 강도 때문에 태양열 난방 및 냉각 시스템에서 중요합니다.구리는 태양 열수 시스템의 [54]리시버 및 1차 회로(물탱크용 파이프 및 열 교환기)에 모두 사용됩니다.

열 이득은 태양으로부터 축적된 열을 말합니다.태양열은 온실 효과를 사용하여 포착된다. 온실 효과는 반사 표면이 단파 방사선을 전달하고 장파 방사선을 반사하는 능력이다.단파 방사선이 흡수판에 닿으면 열 및 적외선 방사(IR)가 발생하며, 흡수판은 집전체 안에 갇힙니다.일반적으로 흡수기 튜브에 있는 유체(일반적으로 물)는 갇힌 열을 수집하여 열 저장 볼트로 전달합니다.

열은 전도 또는 대류를 통해 전달됩니다.물이 가열될 때 운동 에너지는 매체의 물 분자로 전도되어 전달됩니다.이 분자들은 전도에 의해 열에너지를 퍼트리고 그들 위의 차갑고 느리게 움직이는 분자보다 더 많은 공간을 차지한다.상승하는 온수에서 가라앉는 냉수로의 에너지 분배는 대류 과정에 기여합니다.유체 중의 컬렉터의 흡수판으로부터 전도에 의해 열이 전달된다.컬렉터 오일은 캐리어 파이프를 통해 열 전달 볼트로 순환됩니다.볼트 내에서는 열이 대류를 통해 매체 전체에 전달됩니다.

태양열 발전소는 열 저장으로 햇빛이 없는 시간에 전기를 생산할 수 있습니다.열은 햇빛이 있는 시간대에 절연 저장소의 축열매체로 전달되며, 햇빛이 부족한 시간대에 발전을 위해 인출된다.축열 매체에 대해서는 축열 섹션에서 설명합니다.열전달 속도는 온도 차이뿐만 아니라 전도성 및 대류 매체와 관련이 있습니다.온도차가 큰 물체는 온도차가 낮은 물체에 비해 열을 더 빨리 전달한다.

열수송은 태양열 집열기의 열이 저장고로 운반되는 활동을 말한다.단열은 열수송 튜브와 보관 금고 모두에서 매우 중요합니다.열 손실을 방지하고, 이는 에너지 손실 또는 시스템 효율 저하와 관련이 있습니다.

전기 베이스 부하용 축열

주요 기사:열에너지 스토리지

태양열 발전소는 축열을 통해 밤이나 흐린 날에 전기를 생산할 수 있습니다.이를 통해 석탄 및 천연가스 화력발전소를 대체할 수 있는 잠재력과 함께 베이스로드 발전뿐만 아니라 피크 발전에도 태양광을 사용할 수 있다.또한 발전기의 활용도가 높아져 비용을 절감할 수 있다.심지어 단기 저장도 그리드에 많은 양의 태양 용량이 포함되어 있는 일몰 시 발전 요구사항의 빠른 변화의 "덕 곡선"을 완화하는 데 도움이 될 수 있다.

낮에는 절연 저장고 내의 축열매체에 열을 전달하고 밤에는 열을 뽑아 발전시킨다.축열매체는 가압증기, 콘크리트, 각종 상변화재료 및 칼슘, 나트륨,[55][56] 질산칼륨 등의 용융염을 포함한다.

증기 축열조

PS10 솔라 파워 타워는 50bar 및 285°C에서 가압 증기로 탱크에 열을 저장합니다.압력이 낮아지면 증기가 응축되어 증기로 되돌아갑니다.보관 기간은 1시간입니다.더 긴 저장공간이 가능한 것이 권장되지만, 기존 [57]발전소에서 입증된 바는 없습니다.

용융염 저장고

다음 항목도 참조하십시오.열에너지 스토리지
150MW 안다솔 태양광 발전소는 스페인에 위치한 상업용 포물선 트로프솔라 화력발전소입니다.안다솔 공장은 태양 에너지를 저장하기 위해 녹은 소금 탱크를 사용하여 태양이 비추지 [58]않을 때에도 전기를 계속 생산할 수 있습니다.

녹은 소금은 대기압에서 액체이고 열에너지를 저장하는 저비용 매체를 제공하며, 작동 온도는 오늘날의 증기 터빈과 호환되며, 불연성과 무독성이기 때문에 태양열 발전 타워 시스템에서 열을 운반하는 데 사용됩니다.녹은 소금은 또한 화학 및 금속 산업에서 열을 운반하는 데 사용됩니다.

최초의 상업용 용융염 혼합물은 일반적인 형태의 질산나트륨과 40%의 질산칼륨이었습니다.염분은 220°C(430°F)에서 녹으며, 절연 저장 탱크에서 290°C(550°F)에서 액체를 유지합니다.질산칼슘은 녹는점을 131°C로 감소시켜 염분이 얼기 전에 더 많은 에너지를 추출할 수 있습니다.현재 500°C 이상에서 안정적인 몇 가지 기술적 질산칼슘 등급이 있습니다.

이 태양광 발전 시스템은 뜨거운 소금 탱크의 열을 이용하여 흐린 날씨나 밤에 전력을 생산할 수 있다.탱크는 단열되어 일주일 동안 열을 저장할 수 있다.100 메가와트 터빈에 4시간 동안 동력을 공급하는 탱크는 높이가 약 9 미터(30 피트)이고 지름이 약 24 미터(80 피트)가 될 것이다.

스페인의 안다솔 발전소는 녹은 소금을 축열과 야간 발전에 사용하는 최초의 상업용 태양광 화력발전소이다.그것은 [59]2009년 3월에 온라인화 되었다.2011년 7월 4일, 스페인의 한 회사가 태양광 산업의 역사적인 순간을 기념했습니다.토레솔의 19.9MW 집중형 태양광 발전소는 용융염 저장고를 [60]사용하여 24시간 연속 연속 연속 전기를 생산하는 최초의 발전소가 되었다.

2019년 1월 쇼항 에너지 절약 둔황 100MW 용융염탑 태양광 광열발전소 사업이 그리드에 연결돼 가동되기 시작했다.이 구성에는 11시간 용융 염열 저장 시스템이 포함되어 있으며 24시간 [61]연속 전력을 생산할 수 있습니다.

상변화재료(PCM)는 에너지 [62]저장소의 대체 솔루션을 제공합니다.유사한 열전달 인프라스트럭처를 사용하여 PCM은 보다 효율적인 스토리지 수단을 제공할 수 있습니다.PCM은 유기물 또는 무기물 중 하나입니다.유기 PCM의 장점은 부식성, 저냉각 또는 저냉각, 화학적 및 열적 안정성입니다.단점은 낮은 상변화 엔탈피, 낮은 열전도율 및 가연성입니다.유기물은 상변화 엔탈피가 클수록 유리하지만 과냉각, 부식, 상분리, 열안정성 결여 등의 단점을 보인다.무기 PCM의 상변화 엔탈피가 크기 때문에 하이드레이트염은 태양 에너지 저장 [63]분야에서 유력한 후보가 됩니다.

의

응축이나 냉각을 위해 물을 필요로 하는 설계는 태양 복사는 좋지만 수자원이 제한된 사막 지역의 태양 화력발전소 위치와 충돌할 수 있다.이 갈등은 독일 회사인 솔라 밀레니엄이 네바다의 아마르고사 계곡에 이 지역에서 사용할 수 있는 물의 20%를 필요로 하는 공장을 건설하려는 계획에서 잘 드러난다.캘리포니아 모하비 사막에 있는 동일한 회사의 다른 일부 예상 발전소도 적절하고 적절한 물 권리를 획득하는 데 어려움을 겪을 수 있다.캘리포니아 수도법은 현재 [64]냉각을 위해 음용수를 사용하는 것을 금지하고 있다.

다른 디자인은 물을 덜 필요로 합니다.캘리포니아 남동부에 있는 Ivanpah 태양열 발전 시설은 증기를 물로 되돌리기 위해 공기 냉각을 사용하여 부족한 사막 물을 절약합니다.이는 기존의 습식 냉각에 비해 물 사용량을 90% 줄일 수 있지만 효율은 다소 떨어집니다.물은 환경 친화적인 [65]폐쇄 프로세스로 보일러로 반환됩니다.

이러한 모든 기술 중에서 태양열 접시/스틸링 엔진은 에너지 효율이 가장 높습니다.Sandia National Laboratories National Solar Thermal Test Facility(NSTTF)에 설치된 단일 태양광 접시-스틸링 엔진은 최대 25kW의 전력을 생산하며 변환 효율은 [66]31.25%입니다.

태양광 포물선 홈 플랜트는 약 [citation needed]20%의 효율로 건설되었습니다.프레넬 리플렉터는 효율성이 약간 낮습니다(단, 패킹 밀도가 높아짐).

총 변환 효율(태양광 접시 또는 수조가 발전소 전체 면적의 일부만을 차지한다는 점을 고려)은 태양광 발전소의 전체 면적에 떨어지는 태양 에너지에 대한 순 생성 용량에 의해 결정된다.500메가와트(MW) SCE/SES 발전소는 4,500에이커(18.2km²)[67]에 해당하는 방사선(1kW/m²; 논의는 태양 에너지 참조)의 약 2.75%를 추출할 것이다.스페인에 건설 중인 50MW AndaSol 발전소(총[68] 면적 1,300×1,500m = 1.95km²)의 총 변환 효율은 2.6%입니다.

을 사용법총비용에는 건설 및 유지 보수 비용이 포함됩니다.

표준

  • EN 12975(효율 테스트)

「」도 .

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