Солнечные электростанции

1. Введение

Солнце, как известно, является первичным  и основным источником энергии для  нашей планеты. Оно греет всю  Землю, приводит в движение реки и  сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива - 7 000 ккал/кг).

А если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести  в то же условное топливо, то эта  цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. 3емные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент…  
  

 

 

 

 

 

 

2. Термодинамическое преобразование  солнечной энергии. Компоненты термодинамического преобразования солнечного излучения.

Преобразование солнечного излучения  в механическую или электроэнергию не является современным изобретением. Первая машина, качавшая воду под давлением расширяющегося воздуха,, нагретого солнцем, была разработана в 1615 г. во Франции. Аналогичная установка, приводившая в действие печатный станок, демонстрировалась на выставке в Париже в 1879 г. До 1950 г, действовало довольно много машин, работавших на солнечной энергии, мощностью от нескольких ватт до 50 кВт. В большинстве моделей концентрирующие коллекторы использовались для нагрева воды или воздуха до температур порядка нескольких сот градусов. Полученный пар или нагретый воздух применялись затем для совершения механической работы по термодинамическому циклу.

Из солнечной энергии методом  термодинамического преобразования можно  получать электричество практически  так же, как и из других источников. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы изменения тепловых режимов не вносили серьезных ограничений в работу системы и не возникало затруднений, связанных с ее использованием. Желательно также, чтобы система допускала изменение производства электроэнергии во времени в соответствии с необходимостью потребления. Следовательно, подобная система должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций важно правильно оценивать метеорологические факторы. Часто место постройки выбирается исходя лишь из одного критерия: годового числа часов солнечного сияния, при этом нередко пренебрегают другим фактором - облачностью.

Термодинамический преобразователь  солнечной энергии должен содержать  следующие компоненты:

а) систему улавливания падающей радиации;

б) приемную систему, преобразующую  энергию солнечного излучения в  тепло, которое передается теплоносителю;

в) систему переноса теплоносителя  от приемника к аккумулятору или  к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее  тело;

г) тепловой аккумулятор;

д) теплообменники, образующие горячий  и холодный источники тепловой машины.

2.1. Конструкции термопреобразователей

Возможны две принципиальные схемы. В первой (рис.1,а) в приемнике нагревается 

теплоноситель, в связи с чем  обеспечивается тепловая загрузка аккумулятора. При этом рабочее тело нагревается  от аккумулятора, который сглаживает изменения в поступлении солнечной радиации. Таким образом, аккумулятор постоянно играет роль буфера, а связь системы «приемник -аккумулятор» с тепловой машиной осуществляется с помощью по меньшей мере одного теплообменника.

Во второй схеме в приемнике непосредственно нагревается рабочее тело. Зарядка аккумулятора осуществляется путем отвода части нагретого тела, а связь с тепловой машиной происходит без промежуточных устройств. В первой схеме по сравнению со второй имеет место в среднем большее снижение температурного напора, т.е. разность температур между нагревателем и холодильником тепловой машины. Во второй схеме тепло теряется лишь при аккумулировании и возврате. Однако в первом случае тепловая машина и ее вспомогательные устройства не подвержены случайным колебаниям температуры даже при отсутствии системы регулирования. Кроме того, во многих случаях теплоноситель сам играет роль теплового аккумулятора.

2.2. Системы улавливания солнечной радиации

Системы улавливания солнечной радиации обеспечивают разные степени концентрации (рис.2).

Малая степень концентрации (порядка 100) получается при использовании  отражающих поверхностей, концентрирующих  энергию при любом направлении  прихода солнечных лучей. Наблюдение за Солнцем осуществляется в этом случае с помощью упрощенной системы управления. К устройствам такого типа относятся пораболоцилиндрические отражатели, ось которых либо горизонтальна, либо перпендикулярна плоскости движения Солнца. Управляется такая установка только в соответствии с изменением положения Солнца на небосводе в течение дня. Изменение положения Солнца в течение года при этбм не учитывается, и принимаются меры лишь к тому, чтобы фокальное изображение не выходило за пределы поверхности приемника концентрированного излучения.

Средняя степень концентрации (порядка 1000) получается при использовании  фокусирующих гелиостатов, управляемых  по двум вращательным степеням свободы. Таким гелиостатом может быть зеркало в форме пораболоида  вращения, ось которого ориентируется на Солнце.

Высокая степень концентрации осуществляется единичной оптической системой (плоские гелиостаты и пораболоидный  отражатель). Она позволяет достичь  весьма высоких температур.

Сконцентрированное солнечное  излучение поглощается поверхностью приемника и преобразуется в тепло. Чтобы снизить потери тепла, связанные с излучением нагретым приемником в тепловой области спектра, поверхность приемника покрывают тонкой пленкой из селективно поглощающих материалов. Это позволяет значительно повысить КПД системы.

2.3. Аккумуляторы энергии

Поскольку солнечная радиация поступает на поверхность Земли периодически и достаточно случайно, солнечная энергетическая станция с термодинамическим циклом должна иметь устройство для аккумулирования энергии. При разработке таких устройств необходимо выяснить, как появление дополнительных установок повлияет на общую стоимость вырабатываемой энергии и т.п. Аккумулирование может быть кратковременным, на 1-2 ч. в период облачности, для предотвращения колебаний тепловой нагрузки станции и сглаживания резких изменений выходной мощности. Необходимо также аккумулировать энергию в течение дня для выработки ее в темное время суток, а также в часы пиковых нагрузок. В случае увеличения стоимости энергии в часы пик аккумулирование может снизить затраты на создание аккумулирующей системы. Кроме того, необходимо также сезонное аккумулирование для обеспечения энергией потребителей в периоды длительного и неблагоприятного сезона за счет энергии, запасенной во время поступления солнечной радиации.

2.4. Аккумуляторы тепла

В настоящее время накопление энергии  осуществляется за счет аккумулирования  тепла.

Тепловой аккумулятор - дорогостоящий  элемент. В зависимости от температуры  системы аккумулирования энергии  обычно подразделяют на низкотемпературные (до 100◦С), среднетемпературные (от 100 до 550◦С) и высокотемпературные (> 550◦С).

Низкотемпературные аккумуляторы, в частности водяные, нашли широкое  применение в гелиотехнике для отопления  зданий и горячего водоснабжения. Для  низкотемпературного аккумулирования используют также обратимые реакции гидратации и сольватации солей и кислот, а также процессы фазового перехода. Для этих целей в качестве теплоаккумулирующих веществ используют парафины и эмульсии, состоящие из парафина и воды. Скрытая теплота плавления парафина порядка 44 кал/г, а температура плавления 35-50◦С.

Новый тип систем термохимического аккумулирования «Тепидус» разрабатывается в Швеции. В этой установке используется процесс выделения тепла при гидротации сульфида натрии.

Для среднетемпературного аккумулирования, а также в качестве теплоносителя используют соли и их эвтектики, характеризующиеся температурой плавления в несколько сот градусов и большой величиной скрытой теплоты фазового перехода.

Весьма перспективны для среднетемпературного аккумулирования гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Использование процессов аккумулирования реакций гидратации оксидов отличается целым рядом достоинств. Это высокая плотность запасаемой энергии, простое долгосрочное аккумулирование при температуре окружающей среды, компактность твердого энергоаккумулирующего вещества, низкая его стоимость, получение достаточно высокопотенциального тепла на стадии гидратации.

Высокотемпературное аккумулирование  осуществляется с помощью обратимых  экзоэндотермических реакций. При этом реакции можно разделить на две группы: реакции каталитического разложения, продукты которых можно не разделять и хранить вместе, и реакции, протекающие без катализаторов, продукты которые должны быть разделены при температуре солнечного приемника, чтобы предотвратить обратную реакцию.

Выбор типа термодинамического цикла  и природы рабочего тела определяется областью рабочих температур теплового  двигателя, т.е. характеристики системы  концентрации, аккумулятора и параметров цикла тесно взаимосвязаны. В солнечных установках с концентрацией предпочтение отдается пароводяным циклам.

2.5. Два типа солнечных установок

Существует два подхода к  созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу. Первый - использование небольших централизованных станций для отдаленных, районов. Второй - создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков МВт, рассчитанных на работу в центральной электросети (рис. 3-6). В установках на несколько десятков МВт использовать устройство для промежуточного прогрева пара невыгодно, поскольку его стоимость не окупается приростом мощности. Здесь предлагается использовать два типа двигателей. Для солнечных станций, включенных в энергосеть, наиболее подходящими являются турбины, хотя их диапазон рабочих режимов довольно узок и сложны конструкции.

Для автоматических станций с переменной нагрузкой могут оказаться более  эффективными поршневые двигатели, область рабочих режимов которых  более широка.

Тип цикла и природа рабочего тела определяются областью рабочих температур теплового двигателя. Это предполагает в первую очередь взаимосвязь между характеристиками системы концентрации, аккумулятора и параметрами цикла. Идеальным рабочим телом с этой точки зрения является вода, но для работы с ней температура горячего источника должна быть 200-500◦ С.

Чтобы добиться таких температур, необходимо на приемнике получить 500-кратную  концентрацию солнечной радиации, а  с учетом потерь на излучение и  конвекцию требуется концентрация вдвое больше. Такие значения практически невозможно обеспечить с помощью линейных концентраторов, поэтому разрабатываются концентрирующие устройства, фокусирующие радиацию в точку приемника.

Указанные выше трудности разрешаются, если вместо 10-20 тыс. приемников сделать  один, аналогичный по своим параметрам и размерам паровому котлу обычного типа, и поднять его над поверхностью Земли.

2.6. Гелиостанция башенного типа

В случае гелиостанции башенного  типа (рис. 7-9) все параболоиды заменяются практически плоскими отражателями тех же размеров. Каждый гелиостат отражает» солнце « на элемент поверхности центрального приемника, т.е. энергия передается к приемнику оптическим способом вместо транспортной сети паропроводов, требуемой в случае применения системы с рассредоточенными коллекторами.

Стоимость гелиостатов составляет около 80% стоимости станции, поэтому  в настоящее

время основное внимание обращается на конструктивную разработку гелиостатов  для облегчения их изготовления при  массовом производстве.

Управлять гелиостатами можно двумя способами: с помощью оптической системы и с использованием вычисленных координат. Требуемая точность фокусировки на приемник составляет 10»3 рад. При использовании координат управление осуществляется с помощью вычислительной машины. Скорость видимого движения Солнца составляет 207с. За 6 с оно перемещается более чем на 2 и гелиостат должен повернуться на Г, чтобы сохранить постоянным направление отраженных лучей. Каждые 6 с требуется определить новое положение каждого гелиостата. Это можно эффективно осуществить лишь централизованным путем для всех гелиостатов. Такой способ управления позволяет следить за Солнцем даже при пасмурной погоде.

Поскольку стоимость гелиостатов  составляет до. 80% всей стоимости подсистемы сбора солнечной энергии, то основные усилия при их разработке направлены на снижение затрат при сохранении требуемых эксплуатационных качеств. Основная задача состоит в создании максимально экономичных гелиостатов и последующим размещении их в поле отражения таким образом, чтобы свести к минимуму стоимость энергии, обеспечиваемой системой сбора.

Примером рассматриваемой установки  может служить станция мощностью 10 МВт, построенная в северо-западной части Мексики, вблизи города Эрмосильо. Это засушливый район, где Солнце регулярно светит в течение 95% светлого времени года. Здесь также наблюдается высокая плотность солнечной радиации, достигающая 0,8 - 0,95 кВт/м2 в среднем за солнечный день, который длится 10-13 ч. В районе постоянная нехватка воды, и следовательно, вода стоит дорого, поэтому в качестве рабочего тела для станции был выбран воздух как наиболее дешевый и доступный теплоноситель.