3.5. Солнечные электростанции промышленного производства
Солнечная электростанция башенного типа
В солнечных электростанциях башенного типа для преобразования в электроэнергию солнечного света 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. Каждое зеркало управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи всегда были направлены на приемник (http://howitworks.iknowit.ru/paperl185.html).
Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C (рис. 3.20).
Рис. 3.20. Солнечная электростанция башенного типа
Недостатком любой солнечной станции является падение ее выдаваемой мощности в случае появления облаков на небе, и полное прекращение работы в ночное время. Для решения этой проблемы предложено использования в качестве теплоносителя не воду, а соли с большей теплоемкостью. Расплавленная Солнцем соль концентрируется в хранилище, построенного в виде большого термоса, и может использоваться для превращения воды в пар еще продолжительное время после того, как Солнце скроется за горизонтом.
Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65 %. При такой конструкции расплавленная соль закачивается из «холодного» бака при температуре 288 °C и проходит через приемник, где нагревается до 565 °C, 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. На рис. 3.21 показана схема работы солнечной электростанции на расплавленных солях.
Рис. 3.21. Солнечная электростанция на расплавленных солях
Солнечная электростанция тарельчатого типа
СЭС тарельчатого типа представляют собой батарею тарелочных параболических зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 °C и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигатель-генераторе, соединенном с приемником (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Солнечная электростанция тарельчатого типа
Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал-двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. На этих установках удалось добиться практического КПД 29 %. Такие системы представляют собой оптимальный вариант как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном диапазоне), тарельчатого типа предприятии (http://portal.tpu.ru:7777/).
Рис. 3.23. Схема параболического концентратора
Солнечные электростанции, использующие параболические концентраторы
Параболоцилиндрические установки — на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Схема параболоцилиндиреской установки показана на рис. 3.23.
Солнечные пруды. Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 3.24).
Рис. 3.24. Солнечный пруд
Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности (http://www.energy-bio.ru/suncolll2.htm).
Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности.
Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество.
Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 °C в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт-ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки.
Аэростатные солнечные электростанции
Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является проблема выбора места для размещения солнечных электростанций.
Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/м2. Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности порядка миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия порядка 10 % и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров (http://www.t3000.ru).
Площадка для размещения приемников солнечного излучения должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта оборудования, свободной от хозяйственной деятельности человека.
Найти подходящую площадку, удовлетворяющую этим требованиям, чрезвычайно сложно даже в пустынях Австралии и Северной Африки, не говоря уже о густонаселенных странах Европы и Азии.
Идеальным решением этой проблемы является размещение солнечных электростанций на поверхности морей и океанов, площадь которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традиционные солнечные электростанции не пригодны для морского базирования.
Ситуация коренным образом изменилась после изобретения солнечных аэростатных электростанций («Энергия», № 4, 2005). Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции приведена на рис. 3.25.
Рис 3.25. Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции
Принцип работы солнечной аэростатной электростанции с паровой турбиной заключается в поглощении поверхностью баллона аэростата солнечного излучения и нагрева за счет этого водяного пара, находящегося внутри баллона. Современные селективные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых неконцентрированных солнечных лучей до 200 °C и более.
Оболочка баллона выполнена двухслойной. Внешняя оболочка является прозрачной и пропускает солнечное излучение. Внутренняя оболочка покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150–180 °C.
Слой воздуха между оболочками является теплоизолятором, уменьшающим потери тепла в атмосферу.
Температура пара внутри баллона составляет 130–150 °C. Давление внутри баллона равно атмосферному давлению.
Из баллона пар по гибкому паропроводу подается на паровую турбину, и после турбины конденсируется в конденсаторе. Из конденсатора вода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.
Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток.
Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10–20 %, что не влияет на положении аэростата. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.
Мощность турбогенератора можно совершенно безболезненно изменять в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.
При атмосферном давлении плотность наружного воздуха равна 1,3 кг/м3, а плотность водяного пара внутри баллона равна 0,6 кг/м3. Таким образом, подъемная сила одного кубического метра баллона составляет 0,7 кг/м3.
Аэростатная электростанция типа СА
В настоящее время разработана серия солнечных аэростатных электростанций типа СА среднесуточной номинальной мощностью 300–450 кВт, 1200–1800 кВт и 2700–4000 кВт (мощность меняется в зависимости от времени года). Рассмотрим СА-200.
Технические характеристики электростанции СА-200:
♦ внутренний диаметр баллона, м… 200;
♦ среднесуточная номинальная мощность при 8-часовом суточном солнечном освещении, кВт… 1200;
♦ среднесуточная номинальная мощность при 12—часовом суточном солнечном освещении, кВт…1800;
♦ масса баллона, т…120;
♦ подъемная сила баллона, т… 280;
♦ температура пара на входе в турбину, °С… 120;
♦ термический КПД электростанции… 0,13.
Прозрачная оболочка выполнена из полиэстровой пленки (рис. 3.26). Полиэстровая пленка отличается высокой прозрачностью, прочностью, долговечностью и не мутнеет в течение всего срока эксплуатации установки. Для поглощающего слоя используется селективное покрытие, коэффициент поглощения которого в солнечном спектре составляет 0,95, а коэффициент собственного излучения при рабочей температуре покрытия 0,03.
Рис. 3.26. Солнечная аэростатная электростанция СА-200
а — конструкция; б — внешний вид
Поглощающее покрытие представляет собой систему каналов и клапанов, по которой с помощью газодувки мощностью 50 кВт прокачивается водяной пар.
Работа системы клапанов организована таким образом, что пар движется только по каналам, освещенным солнцем.
Внутренняя часть баллона изолирована от атмосферного воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией толщиной 1 метр.
Многослойная пленочная теплоизоляция при малой массе обладает высокой теплоизолирующей способностью. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10 % за сутки. Таким образом, многослойная оболочка баллона является термическим полупроводником, который «закачивает» тепловую энергию внутрь баллона.
Пленочные конструкции раскреплены к каркасу из капроновых канатов. Конструкция рассчитана на ураганный ветер скоростью до 50 м/с. Солнечные аэростатные электростанции серии СА предназначены для размещения в районах с количеством солнечных дней в году не менее трехсот. Это район Средиземного моря, Северная Африка, Ближний и Средний Восток, Средняя Азия, район Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия и другие подобные регионы.
Однако наиболее перспективным представляется морское базирование подобных электростанций. В этом случае открывается возможность полного энергообеспечения многих стран исключительно за счет солнечной энергии.
Неплохие перспективы в этом случае открываются и для России. Использование в Каспийском и Черном морях площади 20 000 квадратных километров для размещения солнечных электростанций позволит полностью покрыть потребности европейской части России в электроэнергии.