برج خورشیدی PS10، واقع در نزدیکی سویل در منطقه اندلس اسپانیا، اولین نیروگاه تجاری جهان با فناوری تمرکز انرژی خورشیدی (Concentrated Solar Power – CSP) است که در مارس 2007 به بهره‌برداری رسید. این نیروگاه با ظرفیت 11 مگاوات، از 624 آینه هلیوستات برای تمرکز نور خورشید بر روی گیرنده‌ای در بالای برج 115 متری استفاده می‌کند و برق پاکی برای حدود 10,000 خانوار تولید می‌کند. PS10 به‌عنوان پیشگام در صنعت انرژی خورشیدی، الگویی برای توسعه نیروگاه‌های مشابه در جهان شد و نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا کرد.
جزئیات کامل برج خورشیدی PS10
نیروگاه PS10 در منطقه سانلوکار لا مایور، 20 کیلومتری غرب سویل، در زمینی به مساحت 60 هکتار ساخته شده است. این نیروگاه از یک برج 115 متری (377 فوت) تشکیل شده که گیرنده خورشیدی و توربین بخار در بالای آن قرار دارند. میدان خورشیدی شامل 624 آینه هلیوستات، هر یک با مساحت 120 مترمربع (1300 فوت مربع)، است که در 35 ردیف دایره‌ای اطراف برج چیده شده‌اند. برج خورشیدی PS10 سالانه 23,400 مگاوات‌ساعت (23 گیگاوات‌ساعت) برق تولید می‌کند که برای تأمین انرژی حدود 10,000 خانوار کافی است. ساخت این پروژه 4 سال طول کشید و توسط شرکت‌های اسپانیایی ابنگوا (Abengoa) برای تأمین آینه‌ها، تکنیکال-تکنیکاس رئونیداس برای گیرنده، و ALTAC برای برج انجام شد. گیرنده بخار اشباع‌شده‌ای با دمای 257 درجه سانتی‌گراد تولید می‌کند و راندمان تبدیل انرژی آن حدود 17 درصد است.
بررسی نیروگاه PS10
نیروگاه PS10 با ظرفیت اسمی 11 مگاوات، سالانه حدود 23 گیگاوات‌ساعت برق تولید می‌کند که معادل تأمین انرژی 10,000 خانوار است. این نیروگاه از فناوری بخار اشباع‌شده با دمای 257 درجه سانتی‌گراد و فشار 40 بار استفاده می‌کند و راندمان تبدیل انرژی آن به 17 درصد می‌رسد. سیستم ذخیره‌سازی حرارتی PS10، با استفاده از مخازن آب تحت فشار در دمای 285 درجه سانتی‌گراد و فشار 50 بار، امکان تولید برق در دوره‌های کوتاه ابری (تا نیم ساعت در بار کامل) را فراهم می‌کند. این نیروگاه در منطقه‌ای با 320 روز آفتابی و حداقل 9 ساعت نور خورشید در روز (تا 15 ساعت در تابستان) قرار دارد، که عملکرد پایدار آن را تضمین می‌کند. تست‌های اولیه نشان داد که طراحی هلیوستات‌ها و گیرنده، بهره‌وری قابل‌قبولی در شرایط واقعی دارد.
اصول عملکرد برج‌های خورشیدی
برج‌های خورشیدی، مانند PS10، از فناوری تمرکز انرژی خورشیدی (CSP) استفاده می‌کنند که در آن آینه‌های متحرک (هلیوستات) نور خورشید را بر روی گیرنده‌ای در بالای برج متمرکز می‌کنند. گیرنده، گرمای متمرکز را به سیال انتقال حرارت (در PS10 آب) منتقل می‌کند، که به بخار تبدیل شده و توربین را به حرکت درمی‌آورد. این توربین به ژنراتور متصل است و برق تولید می‌کند. برخلاف سیستم‌های فتوولتائیک که نور را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند، برج‌های خورشیدی از انرژی حرارتی خورشید بهره می‌برند. این فناوری امکان ذخیره‌سازی حرارتی را فراهم می‌کند، که تولید برق را در غیاب نور خورشید ممکن می‌سازد. طراحی برج‌های خورشیدی برای مناطقی با تابش مستقیم بالا (DNI بالا) مناسب است و PS10 نمونه‌ای موفق از این فناوری است.
فناوری تمرکز نور خورشید
فناوری CSP در برج خورشیدی PS10 بر اساس استفاده از آینه‌های هلیوستات برای متمرکز کردن تابش خورشیدی بر روی یک گیرنده مرکزی است. این آینه‌ها نور خورشید را با دقت بالا به سمت گیرنده هدایت می‌کنند، که دمای سیال داخل آن را به 257 درجه سانتی‌گراد می‌رساند. گیرنده PS10 از نوع بخار اشباع‌شده است، اما طراحی‌های جدیدتر از نمک مذاب یا ذرات سرامیکی برای دماهای بالاتر (تا 1000 درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌کنند. راندمان تبدیل حرارتی به الکتریکی در PS10 حدود 17 درصد است، که کمتر از نیروگاه‌های پیشرفته‌تر با نمک مذاب (تا 24 درصد) است. فناوری CSP در مقایسه با فتوولتائیک، هزینه‌های اولیه بالاتری دارد، اما ذخیره‌سازی حرارتی آن را برای تولید برق پایدار مناسب‌تر می‌کند.
آینه‌های هلیوستات و نقش آن‌ها در سیستم
هلیوستات‌های PS10، که توسط ابنگوا طراحی شده‌اند، 624 آینه با مساحت هرکدام 120 مترمربع هستند و از 28 بخش کوچک‌تر با سطح فولاد گالوانیزه تشکیل شده‌اند. هر هلیوستات به‌صورت کروی خمیده است تا نور را در فاصله فوکوس (فاصله تا گیرنده) متمرکز کند. این آینه‌ها با ردیاب‌های دو محوره کنترل می‌شوند که موقعیت خورشید را به‌صورت مرکزی محاسبه کرده و آینه‌ها را با دقت در دو محور تنظیم می‌کنند. برای محافظت در برابر بادهای شدید (بیش از 36 کیلومتر بر ساعت)، آینه‌ها به‌صورت افقی قرار می‌گیرند. طراحی میدان هلیوستات‌ها با نرم‌افزار بهینه‌سازی شده تا اثرات سایه و کاهش کارایی ناشی از زاویه تابش (اثر کسینوسی) به حداقل برسد، که عملکرد کلی سیستم را بهبود می‌بخشد.
بررسی هزینه‌های راه‌اندازی پروژه
هزینه ساخت برج خورشیدی PS10 حدود 35 میلیون یورو (46 میلیون دلار در سال 2007) بود که 5 میلیون یورو آن از برنامه پنجم چارچوب تحقیقاتی اتحادیه اروپا تأمین شد. این هزینه شامل ساخت برج 115 متری، میدان هلیوستات، گیرنده، توربین بخار و زیرساخت‌های جانبی بود. هزینه سرمایه‌گذاری به ازای هر کیلووات حدود 3500 یورو بر کیلووات تخمین زده شد، که بالاتر از نیروگاه‌های فتوولتائیک امروزی (حدود 1000 یورو بر کیلووات) است. درآمد سالانه PS10 حدود 6.3 میلیون یورو است، که از قرارداد خرید برق با نرخ 271 یورو به ازای هر مگاوات‌ساعت تأمین می‌شود. اگرچه هزینه‌های اولیه بالا بود، اما PS10 به‌عنوان پروژه‌ای آزمایشی، راه را برای کاهش هزینه‌ها در نیروگاه‌های بعدی مانند PS20 هموار کرد.
مزایای زیست‌محیطی نیروگاه PS10
- تولید انرژی پاک و بدون آلایندگی
- کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی
- کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای
- قابلیت استفاده در مناطق بیابانی و کم‌کاربرد
- بازده بالا در مناطق گرم و آفتابی
PS10 با تولید 23 گیگاوات‌ساعت برق پاک در سال، از انتشار حدود 16,000 تن دی‌اکسید کربن (CO2) در مقایسه با نیروگاه‌های فسیلی جلوگیری می‌کند. این کاهش معادل حذف 2060 خودرو از جاده‌ها یا کاشت 8000 درخت است. برخلاف نیروگاه‌های زغال‌سنگ یا گاز، PS10 هیچ‌گونه آلودگی هوا یا گاز گلخانه‌ای در فرآیند تولید برق ایجاد نمی‌کند. با این حال، ساخت نیروگاه شامل انتشارات ناشی از تولید فولاد، بتن و حمل‌ونقل بود. مصرف آب PS10 برای خنک‌سازی و تمیز کردن آینه‌ها (حدود 3.1 مترمکعب به ازای هر مگاوات‌ساعت) نسبت به نیروگاه‌های فسیلی کمتر است، اما همچنان نیاز به مدیریت منابع آب در منطقه خشک اندلس دارد.
تجربه موفق اسپانیا در بهره‌برداری
اسپانیا، به‌ویژه منطقه اندلس، به دلیل تابش مستقیم خورشیدی بالا (DNI)، یکی از پیشگامان جهانی در فناوری CSP است. PS10 به‌عنوان اولین نیروگاه تجاری CSP، موفقیت اسپانیا را در بهره‌برداری از انرژی خورشیدی نشان داد. این پروژه بخشی از پلتفرم خورشیدی سانلوکار لا مایور (PSSM) است که تا سال 2013 به ظرفیت 300 مگاوات رسید و شامل نیروگاه‌هایی مانند PS20 (20 مگاوات) و سولنووا (150 مگاوات) شد. حمایت دولت اسپانیا از طریق یارانه‌ها و قراردادهای خرید برق، همراه با سرمایه‌گذاری شرکت‌هایی مانند ابنگوا، توسعه این فناوری را تسریع کرد. در سال 2012، نیروگاه‌های CSP اسپانیا بیش از 2.4 میلیون تن CO2 در مقایسه با منابع فسیلی صرفه‌جویی کردند.
مقایسه PS10 با نیروگاه‌های فسیلی
در مقایسه با نیروگاه‌های فسیلی، PS10 مزایای زیست‌محیطی قابل‌توجهی دارد، اما از نظر هزینه و پایداری تولید چالش‌هایی نیز دارد. نیروگاه‌های زغال‌سنگ یا گاز طبیعی راندمان بالاتری (تا 40 درصد) و تولید مداوم 24 ساعته دارند، در حالی که راندمان PS10 حدود 17 درصد است و به نور خورشید وابسته است. هزینه تولید برق PS10 (271 یورو به ازای مگاوات‌ساعت) بالاتر از نیروگاه‌های فسیلی (حدود 50-100 یورو به ازای مگاوات‌ساعت) است. با این حال، PS10 هیچ‌گونه انتشار CO2 یا آلاینده‌های هوا مانند SO2 و NOx تولید نمی‌کند و هزینه‌های زیست‌محیطی و اجتماعی نیروگاه‌های فسیلی (مانند بیماری‌های تنفسی) را ندارد. ذخیره‌سازی حرارتی PS10 امکان تولید محدود پس از غروب را فراهم می‌کند، اما نمی‌تواند با پایه‌بار نیروگاه‌های فسیلی رقابت کند.
کاربرد فناوری CSP در PS10
فناوری CSP در PS10 بر اساس سیستم برج خورشیدی با گیرنده مرکزی است که از بخار اشباع‌شده برای تولید برق استفاده می‌کند. این فناوری شامل سه جزء اصلی است: میدان هلیوستات، گیرنده خورشیدی و سیستم تولید برق. هلیوستات‌ها نور خورشید را متمرکز می‌کنند، گیرنده گرما را به بخار تبدیل می‌کند، و توربین بخار ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد. PS10 از آب به‌عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می‌کند، که در مقایسه با نمک مذاب (استفاده‌شده در نیروگاه‌های جدیدتر) دمای پایین‌تری (257 درجه سانتی‌گراد) دارد و راندمان کمتری ارائه می‌دهد. با این حال، استفاده از آب هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش داده و سیستم را ساده‌تر می‌کند. CSP در PS10 به‌عنوان الگویی برای نیروگاه‌های بعدی مانند PS20 و Gemasolar عمل کرد.
نقش در شبکه برق اسپانیا
PS10 به شبکه برق اسپانیا از طریق پلتفرم خورشیدی سانلوکار لا مایور متصل است و 23 گیگاوات‌ساعت برق سالانه به شبکه تزریق می‌کند. این نیروگاه به‌عنوان بخشی از استراتژی اسپانیا برای افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر عمل می‌کند، که تا سال 2014 به 2303.9 مگاوات ظرفیت CSP در کشور رسید. PS10 به‌ویژه در ساعات اوج مصرف روز (به دلیل تابش بالای خورشید) برق تولید می‌کند و به کاهش فشار بر نیروگاه‌های فسیلی کمک می‌کند. ذخیره‌سازی حرارتی محدود آن امکان تولید در دوره‌های کوتاه ابری را فراهم می‌کند، اما برای تأمین پایه‌بار کافی نیست. با این حال، PS10 به‌عنوان پروژه‌ای آزمایشی، داده‌های ارزشمندی برای بهینه‌سازی نیروگاه‌های CSP بعدی در اسپانیا ارائه داد.
انرژی خورشیدی چگونه به برق تبدیل می‌شود؟
در PS10، فرآیند تبدیل انرژی خورشیدی به برق شامل چند مرحله است. ابتدا، هلیوستات‌ها نور خورشید را بر روی گیرنده در بالای برج متمرکز می‌کنند. گیرنده، که حاوی لوله‌های آب است، گرما را جذب کرده و آب را به بخار اشباع‌شده با دمای 257 درجه سانتی‌گراد تبدیل می‌کند. این بخار به توربین بخار هدایت می‌شود، که شفت ژنراتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. بخشی از گرما در مخازن آب تحت فشار ذخیره می‌شود تا در شرایط ابری یا پس از غروب استفاده شود. راندمان کلی این فرآیند حدود 17 درصد است، به این معنا که 17 درصد از انرژی خورشیدی دریافت‌شده به برق تبدیل می‌شود. این فرآیند مشابه نیروگاه‌های حرارتی فسیلی است، با این تفاوت که منبع گرما خورشید است.
تأثیر PS10 بر توسعه فناوری CSP
PS10 به‌عنوان اولین نیروگاه تجاری CSP، نقش کلیدی در توسعه این فناوری ایفا کرد. موفقیت آن، که با تولید پایدار و کاهش 16,000 تن CO2 در سال نشان داده شد، سرمایه‌گذاری در پروژه‌های بزرگ‌تر مانند PS20 و Gemasolar را تشویق کرد. داده‌های عملیاتی PS10 به بهبود طراحی گیرنده‌ها، افزایش راندمان هلیوستات‌ها و کاهش هزینه‌های تولید کمک کرد. این نیروگاه همچنین نشان داد که CSP می‌تواند به‌عنوان مکملی برای فتوولتائیک در مناطقی با تابش مستقیم بالا عمل کند. با این حال، رقابت با فتوولتائیک، که هزینه‌های کمتری دارد، توسعه CSP را در سال‌های اخیر کند کرده است.
چالش‌های عملیاتی PS10
برج خورشیدی PS10 با چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالای نگهداری هلیوستات‌ها و مصرف آب برای خنک‌سازی و تمیز کردن آینه‌ها مواجه است. ردیاب‌های دو محوره هلیوستات‌ها، اگرچه دقیق هستند، اما گران و مستعد خرابی‌اند. همچنین، وابستگی به تابش مستقیم خورشیدی، تولید برق را به ساعات روز محدود می‌کند و ذخیره‌سازی حرارتی کوتاه‌مدت (نیم ساعت) نمی‌تواند نیازهای پایه‌بار را برآورده کند. با این حال، طراحی ساده‌تر PS10 با استفاده از آب به‌جای نمک مذاب، هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش داد و دوام سیستم را افزایش داد.
PS10 همانند نیروگاه ایوانپا به‌عنوان پیشگام نیروگاه‌های CSP، استانداردی برای پروژه‌های خورشیدی در مناطق با تابش بالا ایجاد کرد. این نیروگاه نشان داد که فناوری CSP می‌تواند به‌طور تجاری عملیاتی شود و به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کند. با این حال، با کاهش هزینه‌های فتوولتائیک، CSP برای رقابت نیاز به نوآوری‌هایی مانند ذخیره‌سازی حرارتی طولانی‌تر و مواد جدید (مانند ذرات سرامیکی) دارد. PS10 همچنان به‌عنوان الگویی برای ترکیب انرژی خورشیدی با ذخیره‌سازی حرارتی در نظر گرفته می‌شود.
منبع: ابرار صنعتی
