Солнечные электростанции

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

«Солнечные электростанции»

Солнечная энергия: подарок с небес или посредственное благо?

 

Введение

Каждый день эволюции приносит человечеству много приятных и не очень приятных сюрпризов. За покорение очередной вершины прогресса обязательно приходится чем-то платить. Известная еще со школьной скамьи истина о безграничном характере потребностей человека, для реализации которых требуется неимоверное количество отнюдь не безграничных ресурсов, заставляет нас ежедневно искать новые пути восполнения запасов благ, необходимых одним людям для существования, а другим - для удовольствия. И речь здесь идет не только о предметах роскоши, но и о простых средствах поддержания жизнедеятельности каждого из нас. Возьмем, к примеру, электроэнергию. К сожалению, сегодня человек уже не замечает своей абсолютной зависимости от электроэнергии, а значит, и от ее источников, которые иногда просто подводят в самый неподходящий момент. Ярким примером могут служить аварии на электростанциях, когда города на несколько часов остаются без «света». Панический страх, свет фонариков и полная беспомощность – вот что значит оказаться без поддержки энергии на час-другой. Жаль, но у человека не всегда хватает времени подумать, что же будет дальше.  
Во второй половине XX века экологи планеты серьезно обеспокоились проблемами, связанными с привычными способами добычи электроэнергии – уничтожением экосистем гидроэлектростанциями, утилизацией радиоактивных отходов АЭС. Вдобавок, ситуацию усугублял тот факт, что запасы ископаемых источников энергии (нефть, газ), цены на которые растут не по дням, а по часам, через пару десятков лет вовсе могут иссякнуть. Доказательством этому могут послужить результаты масштабного исследования, проведенного аналитиками и учеными:

Ископаемое топливо	Нефть	Уран	Природный     газ	Уголь
Иссекает через (дата оценки)	39.9 лет (2001)	64.2 года (1999)	61 год (2001)	227 лет (2001)
Извлекаемые объемы	1.046 млрд. бар.	3.95 млн. т.	150 трл. м3.	984 млрд. т.
Солнечная энергия самая чистая и неисчерпаемая!

Быстрее всего закончится нефть. В мире ежегодно потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн лет. Урана хватит еще на 64 года, а углем, к счастью, смогут воспользоваться даже наши внуки и правнуки.  
Природные катаклизмы, климатические аномалии окончательно подтвердили опасения экспертов. Человек наконец-то понял, что нужно искать иной путь, и пусть на первых порах технологии будут дорогими, не такими эффективными, но все же безопасными для природы. Среди множества предложенных вариантов перехода к «безопасной энергетике» особое значение ученые придают энергии Солнца. Почему?  
Чтобы найти ответ на этот вопрос, попробуем разобраться, есть ли у солнечной энергетики шансы на будущее, каковы перспективы отрасли, чем актуален переход к «солнечным» технологиям в наше время для индивидуального потребителя. 
Солнце. Источник жизни и жесткий убийца, дающий возможность родиться и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьез о технологическом «приручении» солнечного света человек начал задумываться только в прошлом столетии. Как заставить солнце работать на себя, как сделать процесс извлечения энергии из солнечных лучей несложным, рентабельным и дешевым?  
 
Немного истории: 
В далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель (Весquerel) открыл фотогальванический эффект. Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу (Charles Fritts) удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество.  
Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн. В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX века получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.  
В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур подъемы, то горькие падения, заставившие общество забыть о «солнечных технологиях» на годы.  
 

 

«За» и «против» солнечной энергии  
Идеальна ли солнечная энергетика с технической и экономической точки зрения? К сожалению, не совсем. Мы постараемся выделить основные преимущества и недостатки этого способа добычи энергии.  
Начнем с положительных сторон. Во-первых, «сырье», т.е. солнечный свет, никогда не закончится. Вторым плюсом солнечной энергии является ее общедоступность, так как солнце светит на юге и западе, в Африке и Европе.  
Противоречивым является вопрос абсолютной безопасности этих технологий для окружающей среды. Конечно, это не атомная энергетика и не добыча нефти, газа, однако на данном этапе развития «солнечных» технологий при изготовлении батарей используются вредные вещества, которые тем или иным образом могут навредить природе. Уже готовые образцы (фотоэлементы) содержат ядовитые вещества, такие как свинец, кадмий, галлий, мышьяк.  
Что касается срока службы преобразователей (30 – 50 лет), то здесь возникает проблема последующей переработки отживших свое модулей, а решение вопроса их утилизации до сих пор не найдено. Явным недостатком процесса добычи энергии является так называемая непостоянность. Солнечные системы не способны работать ночью, а вечером и в утренних сумерках эффективность станций падает в несколько раз.  
Серьезное влияние оказывают и погодные факторы. Многие сетуют на относительную дороговизну солнечных элементов, недостаточную эффективность в плане материальных затрат и окупаемости (на данный момент). «Подводным камнем» функционирования современных «солнечных ферм» становится проблема технической поддержки и обслуживания. Разработчики утверждают, что интенсивный нагрев фотоэлементов существенно снижает эффективность системы в целом, поэтому здесь нужно предусматривать решение проблемы организации охлаждения модулей. Также солнечные батареи необходимо периодически чистить от пыли и грязи, а в случае работы с установкой площадью несколько квадратных километров с очисткой могут возникнуть значительные сложности.  
У идеальной, на первый взгляд, технологии добычи энергии даже сегодня имеется целый ряд недостатков, однако можно быть уверенными в том, что это всего лишь индикатор совершенствования солнечной энергетики. Каждый день технологического прогресса сможет искоренять один недостаток за другим, поэтому это вопрос времени.  

 

Как это работает

С точки зрения экономичности, использование фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) для частного пользования в наше время наиболее актуально, так как здесь мы имеем дело с прямым, одноступенчатым «переходом» солнечной энергии в электрическую. Согласно данным исторических источников, первые фотоэлектрические элементы были сконструированы инженерами Bell Labs в 1950 году для использования в космической промышленности. 
Итак, процесс перехода энергии в фотоэлектрическом преобразователе из одного состояния в другое основан на так называемом фотовольтаическом эффекте, возникающем в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного света. Нужно сказать, что эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик полупроводниковых элементов, оптических свойств преобразователя, среди которых самым важным является фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их светом.  
Вкратце принцип работы ФЭП можно объяснить на примере преобразователей с p — n-переходом, наиболее распространенных в солнечной энергетике. Напомню, что p — n-перехо́д, или электронно-дырочный переход — это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p. На схеме изображен участок преобразователя, состоящий из двух неоднородных полупроводников. 
 
 
 
Во время облучения модуля солнечным светом у границы n- и p-слоёв в результате «перетечки» зарядов образуются объединенные зоны с некомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. 
 
 
 
Таким образом, на этом переходе возникает барьер (разность потенциалов). Именно благодаря этой особенности p — n-перехода и можно объяснить факт возникновения фото-электродвижущей силы при облучении преобразователя солнечным светом. 
 
 

 

 

Сырье, или Из чего делают солнечные батареи

Затронем проблему сырья. Ученые заявляют, что кремний (основной ресурс для производства большинства типов солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры, но на какой кремний? Дело в том, что в большинстве случаев это вещество встречается в виде окиси - SiO2 (песок из детской песочницы), а вот добыть чистый силициум (Silicium так химики называют кремний) из этого соединения сложно, даже проблематично. Здесь имеют место стоимостные факторы, особенности технологий. Интересно отметить, что себестоимость чистого «солнечного» кремния равна себестоимости урана для АЭС, вот только запасов кремния на нашей планете в 100 тысяч раз больше. 
По причине дороговизны кремния, отражающейся на розничной цене солнечных элементов, исследовательские центры на протяжении многих лет работают над поиском достойной альтернативы. К примеру, немецкие ученые Института Физической электроники в Штутгарте предложили использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света генерировать электрический ток. Новые разработки хоть и не могут похвастаться высокими показателями КПД, но они дешевы и подходят для питания маломощных цифровых устройств. Рубашка из «синтетической» ткани может обеспечить энергией карманный ПК, мобильный телефон или MP3-плеер. Подумать только, а если мореплавателям попробовать сшить парус из такого вот полотна? На обеспечение энергией бортовой электроники уж точно хватит.  
Сегодня, в эпоху нанотехнологий, когда человек с легкостью завоевывает микромир, научные вклады инженеров могут в несколько раз ускорить процесс развития «солнечной» отрасли. Ярким примером тому может послужить заявление сотрудников норвежской компании Scatec AS. Ученые уверены, что панели, изготовленные с применением нанотехнологий, позволят снизить стоимость солнечной энергии по сравнению с распространенными сейчас фотогальваническими ячейками в 2 раза.  
 

 

Гелиоконцентраторы

Каждый из нас с детства помнит немного опасные игры с собирательной линзой и солнечными лучами, когда в жаркий день можно было в считанные минуты поджечь бумагу или что-то «нарисовать» на школьном подоконнике. Ученые и инженеры, использующие метод фокусировки солнечных лучей для выработки электричества или тепла, по причине дороговизны и сложности изготовления огромных линз, используют массивы вогнутых зеркал (классические зеркальные панели или листы полированного алюминия). Зеркала являются составной частью гелиоконцентратора – установки, собирающей параллельные солнечные лучи в одной точке. Если в эту точку-фокус поместить трубу с теплоносителем (водой или другой жидкостью), она нагреется. 
Нужно сказать, что наибольшей эффективности работы таких установок можно добиться в южных широтах, однако в умеренной полосе гелиоконцентраторы пользуются не меньшей популярностью.

К примеру, рассмотрим действующие, солнечные электростанции германской фирмы Solar Millennium, Solar one, Solar two, Solar tres b Solurcar.

Электростанции Solar one, Solar two и Solar tres работают по идентичной технологии.В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 оC.

 
Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Интересно, что солнечный свет грел не воду, а промежуточный теплоноситель — масло. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 оC и проходит через приемник, где нагревается до 565 оC, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

"Solar Two" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 оC, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "Solar Two" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Solar tres

Проект предусматривает строительство двух башен PS10 и PS20, первая из которых уже успешно введена в эксплуатацию. Сейчас в Испании более 6000 домов города Севилья обеспечиваются этой электроэнергией Ниже приводятся некоторые данные:

• Мощность системы 11 MВт
• Электрическая установка вырабатывает 24.2 Гвт электроэнергии в год, обеспечивая снабжение 5.5 тыс домохозяйств.
• Электростанция оборудована системой хранения тепла, что позволяет не прерывать производство при облачном небе в течение одного часа (ночной перерыв эта система не перекрывает, но всё же даёт станции некоторую гибкость на случай временно набежавших тучек).

За передачу солнечной энергии на башню отвечают 624 зеркала, площадь каждого составляет 120 кв.м. Общая площадь зеркал составляет 75 000 кв.м. Каждое зеркало отслеживает нахождение Солнце в двух плоскостях и концентрирует солнечную энергию на поглотителе расположенном на башне высотой 115 метров. Посредством фокусировки солнечных лучей на электростанции создается температура до 1000° С; она используется для образования пара, который приводит в движение турбины. Поглотитель перерабатывает 92% полученной энергии в пар температуры 257С. Конструктивно поглотитель состоит из 4 вертикальных панелей размерами 5 на 12 метров размещенных в специальной нише.

В настоящее время ведется строительство второй башни PS20 мощностью 22 МВт.

 

Solurcar

Этот вид электростанции был основан на преобразовании солнечной энергии в механическую, а в последствии в электрическую. Для рассмотрения принципа работы электростанции нужно познакомится с основными принципами работы двигателя Стирлинга.

Этот двигатель был изобретён шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году. По КПД он превосходит и дизель, и искровой ДВС, но до сих пор остаётся экзотикой. Однако американцы считают, что стирлинг может стать альтернативой альтернативной энергетике.

Прежде, чем рассказать о проекте американских энергетиков, нужно сказать пару слов о стирлинге-двигателе. В отличие от дизеля и бензинового ДВС это – двигатель внешнего сгорания. Его тепловой замкнутый цикл кардинально отличается от циклов Отто или Дизеля.