concentrated solar power, zonnestralen bundeling, zonnespiegelcentrale, zonnekrachtcentrale, zonthermische krachtcentrale, concentrating solar power, CSP
Bij concentrated
solar power (CSP) of zonnestralen-bundeling concentreren spiegels het
zonlicht in een ontvanger (een buis of één punt), waardoor
hitte ontstaat die meestal stoom creëert die een stoomturbine aandrijft
die elektriciteit opwekt.
De plaats waar dat gebeurt wordt een zonthermische krachtcentrale
genoemd. De term zonnekrachtcentrale komt ook voor, maar die wordt ook
gebruikt voor een zonnepark waar de elektriciteit van enorme aantallen
zonnepanelen (pv-panelen) wordt
"gebundeld".
De elektriciteit uit CSP is een vorm van groene
stroom.
principe van concentrated solar power (csp) met hete vloeistof als transportmedium; klik voor groter!: |
Voordelen CSP
- CSP valt onder duurzame energie; de zon geeft gratis straling (geen
hernieuwbare energie maar wel redelijk permanent)
- bij gebruik van water (stoom) in de buis-collector kan dat rechtstreeks
gebruikt worden om een turbine aan te drijven die voor elektriciteit zorgt (toch
is de stoom bijvoorbeeld 330 graden C bij een druk van ca. 30 bar)
- bij gebruik van thermische olie in de buis-collector wordt gebruik gemaakt van
warmtewisselaars
om van water stoom te maken voor de turbine
- om ook buiten zonne-uren elektriciteit te leveren worden veel
zonnekrachtcentrales voorzien van een opslagmogelijkheid (zie ook energieopslag), vaak in de vorm
van tanks met heet, vloeibaar zout (bij de documentatie van een
zonnekrachtcentrale is vaak het aantal uren opslag vermeld, vaak ca. 7 uur) of
hete keramische kogeltjes.
Nadelen CSP
- de benodigde grondoppervlakte bij een CSP-centrale van 1 GW (voor gas
of kolen een
gemiddelde centrale) is ca. 50 km2...; voor ons land echt veel te veel dus,
meer geschikt voor Spanje o.d.
- voor deze manier van energieopwekking is zonneschijn
nodig (overdag)
- er is veel zonneschijn nodig (in woestijnen e.d.)
- om efficiënt te kunnen werken moeten de spiegels voortdurend draaien om
goed op de zon gericht te blijven, omdat de stralen anders niet goed gebundeld
worden naar de ontvanger (bij bijvoorbeeld pv-panelen heb je daar minder last
van)
- de spiegels zijn duur
- het object dat het zonlicht ontvangt, moet een zo groot
mogelijk deel van het licht absorberen; de nauwkeurigheid om het
zonlicht te concentreren is belangrijk.
Kortom: CSP is uitsluitend geschikt voor landen die veel open, vlakke ruimte
hebben én waar de zon lang én krachtig schijnt!
(Helaas voor Nederland: wég is de
onafhankelijkheid van andere landen als we zulke elektriciteit uit bijvoorbeeld
het Midden-Oosten moeten importeren...)
Methodes
Het zonlicht kan op verschillende manieren gebundeld worden:
- PTC, Parabolic Trough Collector (zonnetrog)
- DC, Dish Collector (zonneschotel)
- ST, Solar Tower (zonnetoren)
- LFC, Linear Fresnel Collector (ook: LFR).
methode |
draaipunten spiegel, brandlijn/brandpunt met locatie, opmerkingen |
PTC (parabolic trough collector, zonnetrog, trogspiegel) |
het zonlicht gebundeld wordt in een lange
buis; parabolische trogspiegel draait om 1 as; elke spiegel bundelt zonlicht naar zijn eigen lange buis, gevuld met thermische olie of water (ontvanger is 1 lokale brandlijn) |
DC (dish collector, zonneschotel) | spiegel draait om 2 assen; omvangrijke schotelspiegel bundelt naar zijn eigen brandpunt (ontvanger is 1 lokaal brandpunt) |
ST (solar tower, zonnetoren) |
heliostaatspiegel draait op 2 assen; de zonnetoren vangt in 1 brandpunt het gebundelde licht op van een groot aantal spiegels (ontvanger is 1 centraal brandpunt, bovenin de toren) |
LFC (Fresnel) | lineaire Fresnel-spiegel draait
om 1 as, vergelijkbaar met PTC zonnetrog maar de Fresnel-installatie bevat vele
kleine langwerpige spiegels die alle gericht zijn op een lokale buis (ontvanger is 1 "lokale" brandlijn). |
de vier soorten concentrated solar power: zonnetrog (ptc), zonneschotel (dc), zonnetoren (st) en fresnel (lfc); klik voor groter! (researchgate): |
Methode PTC (zonnetrog, trogspiegel), "naar een lange
buis"
Deze manier wordt mondiaal het vaakst toegepast.
De geconcentreerde warmte in de lange buis kan:
- dienen voor directe omzetting van water in waterdamp
- worden
doorgegeven aan een vloeistof (thermische olie, siliconenolie) in de lange buis
- worden doorgegeven aan gesmolten zout (vloeibaar alkalinitraatzout).
Bij
de omzetting in waterdamp kan de damp rechtstreeks naar de
turbine die elektriciteit produceert wat
efficiënter werkt (een aantal tussenstappen ontbreekt) en een
goedkoper proces is. De stoom is bijvoorbeeld 330 graden
C en heeft een druk van 30 bar. In een experimentele
zonnecentrale in Almería (Spanje) is een temperatuur van 500
graden C en een druk van 110 bar bereikt. Voordeel van de directe
omzetting in stoom is dat er geen warmtewisselaars
benodigd zijn (bij de overdracht van de warmte van olie naar
water). Nadeel is dat het lastig is deze benodigde
temperatuur en druk te handhaven.
Bij de tweede methode (via olie) zijn warmtewisselaars benodigd.
Methode DC (zonneschotel)
Deze methode komt mondiaal bijna niet voor.
De zonneschotel is een zeer omvangrijke schotel die de energie omzet in
mechanische energie.
De Dish Collector wordt ook wel Dish/Engine genoemd.
Methode ST (zonnetoren), "naar één punt"
Pas de laatste jaren komt deze methode steeds vaker voor, waarschijnlijk door de
betrekkelijke eenvoud van het systeem.
Nadeel is dat een defect in de opvang van het gebundelde licht in de toren
betekent dat er in het geheel geen elektriciteit wordt opgewekt.
Voordeel is dat de temperatuur hoger kan zijn dan bij de paraboolspiegels (ca.
500 graden C). Een ander voordeel is dat met redelijk "eenvoudige"
spiegels het licht weerkaatst kan worden naar de centrale toren; er is geen buis
o.d. nodig bij de spiegel en er is geen vloeistoftransport vanaf de spiegels
naar een centraal punt.
De Solar Tower wordt ook wel Power Tower genoemd.
Methode Fresnel-installatie, "naar een lange buis"
Van het aantal installaties groter dan 5 MW staat de Fresnel-methode op de
tweede plaats, na de zonnetrog. Vergelijkbaar met de zonnetrog, maar de spiegels zijn als het ware verdeeld
in kleinere, langwerpige losse spiegels waarbij elke "spiegelreep"
zijn weerkaatste licht onder een eigen hellingshoek naar de buis werpt. In de
ontvanger wordt direct stoom geproduceerd.
Nadeel is de grote hoeveelheid spiegelrepen waardoor de foutkans/faalkans groter
wordt.
Opslag van warmte geeft later elektriciteit
Om ook 's nachts elektriciteit op te kunnen wekken, kan (overtollige) warmte
opgeslagen worden in grote tanks met vloeibaar zout o.d. De warmte weer gebruikt
worden om elektriciteit op te wekken.
Om ook 's winters, wanneer de zonnestraling geringer is en er meer elektriciteit
nodig is, elektriciteit op te wekken, kan (overtollige) warmte omgezet worden in
elektriciteit die via elektrolyse waterstof maakt uit water. Waterstof kan
redelijk makkelijk worden opgeslagen en in de winter via brandstofcellen of
gasturbines weer elektriciteit opwekken.
Opmerkingen
- Door technische / softwarematige problemen met grote zonnecentrales
die door spiegels het zonlicht bovenin een toren concentreren leveren
deze centrales minder vermogen dan verwacht of afgesproken en omdat pv-panelen
veel goedkoper zijn geworden en zeer breed toegepast worden, zijn veel van deze
CSP-projecten helaas afgeblazen. (Dat CSP-centrales eigenlijk in de zonovergoten woestijn moeten staan is
voor ons ook niet zeer gunstig.)
- Voor methoden van "opslag" van elektriciteit
zie ook bij energieopslag.
Naar Documentatie
zonnetrog; een paar afbeeldingen van een zonnetrog (trogspiegel en ontvangbuis; gezen): |
fresnel-installatie; afbeeldingen van de ontvanger van een fresnel-installatie (helios csp): |
een veld met fresnel-spiegels, gesmolten zout, 50 megawatt-centrale, lanzhou dunhuang dacheng, china; klik voor groter: |
zonnetoren; afbeelding van een park met meer zonnetorens, australië; klik voor groter (vast solar): |
de omvang van een spiegel die het licht weerkaatst naar een zonnetoren, chili; klik voor groter (csp focus): |
Documentatie
- Lijst met zonnekrachtcentrales groter dan 5 MW
(mondiaal, situatie 2018)
- Zonnetoren: Concentrated solar power (csp), Solar Receivers and Steam Generators (en energieopslag in zout) (van John Cockerill)
Zie ook energieopslag,
elektriciteitscentrale.
Eng. spiegel is reflector, mirror; ontvanger (buis) is absorber (tube),
receiver