Energia słoneczna: Pustynia Mojave w Kalifornii

Projekt:

Ivanpah Solar Electric Generating System
Pustynia Mojave w Kalifornii

W 2013 roku na kalifornijskiej pustyni Mojave pojawił się kompleks skupiający energię słoneczną o mocy 377 megawatów. System elektrowni słonecznej Ivanpah składa się z trzech pól paneli lustrzanych, czyli heliostatów, zajmujących powierzchnię 3500 akrów. Każdy heliostat skupia światło słoneczne na jednej z trzech wież odbiorczych, które wykorzystują skoncentrowane światło słoneczne jako główne źródło energii dla turbin parowych, wytwarzających energię elektryczną dla 140 000 kalifornijskich domów.

Wyzwania

Kompleks skupiający promienie słoneczne przypomina próbę rozpalenia małego ogniska za pomocą lustra lub szkła powiększającego. Jeśli nie ustawisz lustra tak, aby łapało słońce, nie rozpalisz ogniska. Analogicznie, jeśli nie będziesz równomiernie i precyzyjnie kierować skoncentrowanego światła słonecznego na łatwopalny cel, nie uzyskasz ognia.

Aby zoptymalizować pracę elektrowni, inżynierowie Ivanpah musieli ustawić 173 000 heliostatów w taki sposób, aby odbijały jak najwięcej światła słonecznego w kierunku wież odbiorczych o każdej porze dnia. Zanim osiągnęli ten cel stanęli przed trzema dużymi wyzwaniami:

1.: Słońce stale zmienia swoje położenie. Każdy heliostat musi obracać się codziennie o maksymalnie 270 stopni, z minimalną prędkością 0,009 obr/min. Im dokładniej heliostaty skupią promienie słoneczne, tym więcej zostanie wyprodukowanej energii.

2.: Prędkość wiatru na pustyni potrafi wynosić nawet 190 mil na godzinę. Heliostaty Ivanpah mają średnicę 25 metrów kwadratowych lub większą. Na bezmiarze pustyni Mojave te duże, płaskie panele mogłyby zachowywać się jak żagle podczas wichury, powodując niestabilność i luzy w mechanizmach pozycjonujących. Ponadto przekładnie zębate muszą być odporne na ciągłe działanie piasku i zanieczyszczeń niesionych przez wiatr.

3.: Cena utrzymania 173 000 heliostatów mogłaby okazać się zaporowa. Po uruchomieniu, luz w przekładniach zwiększa się samoistnie i może powodować szybkie zużycie systemu przekładni. Aby utrzymać niskie koszty energii, heliostaty w kompleksie Ivanpah muszą umieć zachować stabilność i precyzję przez dziesięciolecia.

Rozwiązanie:

Napędy z globoidalnymi przekładniami ślimakowymi Cone Drive

Po dokonaniu oceny przekładniowych układów kilku producentów, firma BrightSource zdecydowała się zainstalować globoidalne przekładnie ślimakowe firmy Cone Drive w dziesiątkach tysięcy heliostatów elektrowni Ivanpah. Systemy te zapewniają rodzaj wysoce precyzyjnego sterowania ruchem i są stosowane w pozycjonowaniu satelitarnym i narzędzi chirurgicznych, a ich żywotność wynosi nawet 35 lat.

Jak to działa

Globoidalna przekładnia ślimakowa Cone Drive zapewnia większą powierzchnię styku między przekładnią a ślimakiem, gwarantując większą stabilność w porównaniu do tradycyjnego napędu ślimakowego. Ślimak w kształcie klepsydry owija się wokół koła zębatego, które owija się również wokół ślimaka.

„Doskonałe zazębianie się oznacza wyższy moment obrotowy i większą odporność na obciążenia” – mówi Jacob Randall, dyrektor ds. rynków strategicznych w Cone Drive. „Systemy globoidalnych przekładni ślimakowych zapewniają pracę bezluzową, eliminując wszelkie luzy lub poślizgi mechanizmu powodowane przez szczeliny między zębami a gwintem”.

Globoidalna przekładnia ślimakowa Cone Drive zwiększa powierzchnię styku między przekładnią a ślimakiem, zapewniając większą stabilność niż tradycyjny napęd ślimakowy.

Korzyści

1.: Precyzja. „Precyzja, jaką można osiągnąć stosując globoidalne przekładnie ślimakowe doskonale spełniała potrzeby kompleksu Ivanpah” – mówi Randall. Systemy globoidalnych przekładni ślimakowych Cone Drive umożliwiają heliostatom Ivanpah bardziej niezawodne skupianie większej ilości światła słonecznego na wieżach odbiorczych. Przy 173 000 heliostatach, nawet niewielka poprawa dokładności może mieć duży wpływ na wydajność zakładu.

2.: Stabilność. Ślimaki globoidalne Cone Drive pomagają utrzymać pracę heliostatów Ivanpah na optymalnym poziomie, nawet podczas ekstremalnych wiatrów. „Pod względem odporności na skręcanie przekładnia jest niezwykle sztywna” – mówi Randall. „Kiedy wiatr chwyta lustro, lustro się nie porusza”.

3.: Bez konserwacji. Ponieważ heliostaty są tak stabilne, rozwiązanie Cone Drive ogranicza do minimum luzy przekładni, a także zużycie i konieczność prowadzenia kosztownych napraw. Przekładnie są smarowane wewnętrznie i uszczelnione na cały okres eksploatacji, tak by były odporne na piasek, brud i zanieczyszczenia oraz nie wymagały czynności konserwacyjnych.

Wyniki

W ciągu ostatnich siedmiu lat działalności zespół Ivanpah z powodzeniem zwiększył produkcję czystej energii przez elektrownię, w porównaniu do ilości gazu ziemnego zużywanego do napędzania turbin parowych, gdy słońca nie ma na niebie lub gdy jest zasłonięte chmurami.

• Od 2015 roku elektrownia produkuje średnio prawie 700 000 megawatogodzin energii słonecznej rocznie.
• Ivanpah obsługuje ponad 140 000 domostw w Kalifornii w godzinach szczytu.
• Zakład jest na dobrej drodze, aby wyemitować mniej niż 13 milionów ton dwutlenku węgla w ciągu 30-letniej eksploatacji.

Dzięki pomyślnemu zastosowaniu rozwiązania Cone Drive w Ivanpah spółka BrightSource Energy zastosowała też technologię Cone Drive na innych farmach słonecznych, w tym w 700-megawatowej elektrowni w Zjednoczonych Emiratach Arabskich i kolejnej na izraelskiej pustyni Negew.

„Technologia uzyskiwania energii słonecznej ciągle się rozwija” – mówi Randall. „Małe, stopniowe ulepszenia mogą przynieść ogromne korzyści w świetle rosnącego zainteresowania odnawialnymi źródłami energii”.

Przeczytaj więcej o globoidalnych przekładniach ślimakowych Cone Drive i udziale w przemyśle solarnym.

Last Updated: 2021/11/19

Published: 2021/02/13