2.1.2. Солнечная электроэнергетика

Солнечная энергия может быть превращена в электрическую двумя основными путями: термодинамическим и фотоэлектрическим.

При термодинамическом методе электрическую энергию за счет использования солнечной энергии можно получать с использованием традиционных схем в тепловых электроустановках, в которых теплота от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения. Принципиальная схема получения электрической энергии в солнечной теплоэлектростанции представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Принципиальная блок-схема солнечной теплоэлектростанции

Существуют солнечные теплоэлектростанции трех типов:

башенного типа с центральным приемником-парогенератором, на поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал-гелиостатов;

параболического (лоткового) типа, где в фокусе параболоцилиндрических концентраторов размещаются вакуумные приемникитрубы с теплоносителем;

тарелочного типа, когда в фокусе параболического тарелочного зеркала размещается приемник солнечной энергии с рабочей жидкостью.

Станции башенного типа состоят из пяти основных элементов: оптической системы, автоматической системы управления зеркалами и станцией в целом, парогенератора, башни, которая удерживает гелиоприемник и системы преобразования энергии, включающей теплообменники, аккумуляторы энергии и турбогенераторы.

Принципиальная схема солнечной электростанции башенного типа показана на рис. 2.7.

Так как в такой электростанции используется прямое солнечное излучение, концентрирующие гелиосистемы должны иметь систему наблюдения за Солнцем, при этом каждый из гелиостатов ориентируется в пространстве индивидуально.

Температура, которую можно получить на вершине башни с помощью зеркальных концентраторов, составляет 300–1500°С. В одном модуле можно получить мощность, не превышающую 200 МВт, что связано со снижением эффективности переноса энергии от наиболее удаленных концентраторов на вершину башни.

Рис. 2.7. Схема солнечной электростанции башенного типа

Мировая практика эксплуатации станций башенного типа доказала их техническую осуществимость и работоспособность. Основными недостатками таких установок являются их высокая стоимость и значительная площадь, которую они занимают. Так, для размещения башенной электростанции мощностью 100 МВт необходима площадь 200 га.

Рис. 2.8. Солнечная термодинамическая электростанция «Solar Two»

Демонстрационная солнечная термодинамическая электростанция «Solar Two» (рис. 2.8) работала и развивалась с 1981 по 1999 годы в пустыне Мохаве (Калифорния, США). Ее мощность превышала 10 МВт. Солнечную башню этой станции окружали 1926 гелиостатов общей площадью 83000 м 2. Интересно, что солнечный свет грел не воду, а промежуточный теплоноситель – расплавленную смесь нитратов натрия и калия. От нее уже закипала вода, дающая пар для турбин. В 1999 году ученые переоборудовали эту станцию в гигантский детектор черенковского излучения для изучения воздействия космических лучей на атмосферу.

Свет от сотен больших зеркал столь ярок, что заставляет светиться пыль и влагу в воздухе, благодаря чему и видны лучи, окружающие красивую белую башню. На переднем плане видны стоящие рядом с зеркалами фотоэлектрические панели с концентраторами. Зеркала же, направленные на солнечную башню, с этого ракурса не видны.

Солнечная электростанция в Севилье (PS1), Испания (фото Solucar)

Запуск современной солнечной электростанции башенного типа состоялся 30 марта 2007 года в районе Санлукар-ла-Майор недалеко от Севильи (Испания). Красивая бетонная башня высотой 115 м и 624 зеркала гелиостатов площадью 120 м 2 каждое обеспечивают паром паротурбинную установку мощностью 11 МВт, достаточной для снабжения электроэнергией 6000 домов, экономя тем самым 18000 тонн углеродных выбросов в год.

Рядом с данной станцией уже идет строительство еще одной подобной станции (PS2), но более мощной. Будет установлено примерно 1255 зеркал. Расчетная мощность электростанции – 20 МВт. Запуск второй станции сократит выбросы СО₂ в атмосферу на 54 000 тонн в год и обеспечит электроэнергией

около 18 000 домов. А всего к 2013 году различные по принципу действия солнечные установки, которые будут установлены на площадке в Санлукар-ла-Майор, будут иметь суммарную электрическую мощность 300 МВт, что достаточно для удовлетворения потребностей в электроэнергии такого города, как Севилья.

Рис. 2.9. Схема солнечной электростанции параболического типа

В солнечных электростанциях параболического типа (рис. 2.9) используются параболические зеркала (лотки), концентрирующие солнечную энергию на приемных трубках, которые расположены в фокусе конструкции и содержат в себе жидкостный теплоноситель. Эта жидкость нагревается приблизительно до 400°С и прокачивается через ряд теплообменников, при этом вырабатывается перегретый пар, который приводит в действие обычный турбогенератор для выработки электрической энергии.

Станции параболического типа применяются все шире благодаря более простой системе слежения за Солнцем и меньшей материалоемкости. Удельная стоимость станций параболического типа близка к удельной стоимости АЭС.

а

б

Рис. 2.10. Солнечная установка тарелочного типа: а – схема солнечной установки тарелочного типа; б – солнечная установка мощностью 10кВт на солнечной электростанции в Аlmeria (Испания)

Вид на станцию PS1 с высоты птичьего полёта. На заднем плане видна площадка, которую готовят под PS2 (фото Solucar)

В установках тарелочного типа (рис. 2.10) используются параболические тарелочные зеркала (похожие по форме на спутниковую тарелку), которые фиксируют солнечную энергию на приемнике, расположенном в фокусе каждой тарелки.

Жидкость в приемнике нагревается до 1000°С и ее энергия используется для выработки электрической энергии либо в двигателе Стирлинга, либо в установке, работающей по циклу Брайтона. Установки имеют систему слежения за Солнцем. Ввиду эффекта аберрации в связи с отклонением от идеальной формы и других конструктивных факторов максимальный диаметр тарелок не превышает 20 м при мощности до 60–75 кВт. Удельная стоимость солнечной электростанции тарелочного типа может быть меньше, чем электростанций башенного и параболического типов.

Солнечная электростанция компании Solucar в Санлукар-ла-Майор проверяет в деле самые разные технологии. Например, параболические концентраторы с двигателями Стирлинга и длиннющие параболические (в поперечном сечении) зеркала с трубами для разогрева теплоносителя (фото Solucar).

Длинные параболические (в поперечном сечении) зеркала с трубами для разогрева теплоносителя (фото Solucar)

Солнечные электростанции наиболее эффективны в районах с высоким уровнем солнечной радиации и малой облачностью. Их к.п.д. может достигать 20%, а мощность 100 МВт.

Солнечная фотоэнергетика представляет собой прямое преобразование солнечной радиации в электрическую энергию. Принцип действия фотоэлектрического преобразователя основывается на использовании внутреннего фотоэффекта в полупроводниках и эффекта деления фотогенерированных носителей зарядов (электронов и дырок) электронно-дырочным переходом или потенциальным барьером типа металл–диэлектрик–полупроводник. Фотоэффект имеет место, когда фотон (световой луч) падает на элемент из двух материалов с разным типом электрической проводимости (дырочной или электронной). Попав в такой материал, фотон выбивает электрон из его среды, образуя свободный отрицательный заряд и «дырку». В результате равновесие так называемого p – n -перехода нарушается и в цепи возникает электрический ток. Строение кремниевого фотоэлемента показано на рис. 2.11.

Чувствительность фотоэлемента зависит от длины волны падающего света и прозрачности верхнего слоя элемента. В ясную погоду кремниевые элементы вырабатывают электрический ток приблизительно силой 25 мА при напряжении 0,5 В на 1 см 2 площади элемента, то есть 12–13 мВт/см 2 . Теоретическая эффективность кремниевых элементов составляет около 28%, практическая – от 14 до 20%.

При последовательно-параллельных соединениях солнечные элементы образуют солнечную (фотоэлектрическую) батарею. Мощность солнечных батарей, которые серийно выпускаются промышленностью, составляет 50–200 Вт. На рис. 2.12 показаны фотоэлектрические батареи для маяка на о. Змеиный (Украина). На солнечных фотоэлектрических станциях солнечные батареи используются для создания фотоэлектрических генераторов. На рис. 2.13 изображены состав и блок-схема солнечной фотоэлектрической станции. Срок службы такой станции составляет 20–30 лет, а эксплуатационные затраты минимальные.

 

Рис. 2.11. Схема кремниевого фотоэлемента

Фотоэлектрические панели

Недостатками плоских фотоэлементов для получения электрической энергии являются их высокая стоимость (до 5 дол.США/Вт) и значительные площади, необходимые для размещения фотоэлектростанции.

Рис. 2.13. Блок-схема солнечной фотоэлектрической станции

Система фотоэлектрического освещения ботанического сада

Рис. 2.12. Фотоэлектрическая система энергоснабжения комплекса на о. Змеиный мощностью 10 кВт

Одним из путей совершенствования фотоэнергетики является создание концентрирующих фотоэлементов. Система концентрации солнечной энергии состоит непосредственно из концентраторов и системы слежения за положением Солнца, так как концентрирующие фотоэлементы воспринимают только прямое солнечное излучение.

Сегодня основой для создания концентрируемых солнечных элементов служит кремний. Так, на основе кремния в Австралии созданы элементы со степенью концентрации k =11 и к.п.д. 21,6%, в США выпускаются кремниевые элементы с k =40 и к.п.д. 20%.

Для повышения эффективности фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в качестве исходного материала применяют арсенид галлия, фотоэлектрические потери которого при высоких температурах значительно ниже, чем у кремния.

На основе арсенида галлия созданы двухи трехкаскадные элементы с высокой эффективностью работы при степени концентрации 1000 и больше. Уже созданы лабораторные образцы солнечных элементов площадью 0,5 см 2 с k =500 и к.п.д. 40%.

Прогнозы специалистов в области фотоэлектрического преобразования солнечного излучения показывают, что наиболее перспективными будут концентраторы с k =1000, работающие с многокаскадными арсенидгаллиевыми солнечными элементами нового поколения.

Рис. 2.14. Схема солнечной аэростатной электростанции: 1 – прозрачная оболочка; 2 – поглощающая оболочка; 3 – паропровод; 4 – трубопровод с водяными насосами; 5 – паровая турбина с генератором; 6 – конденсатор; 7 – ЛЭП

Модульный тип фотоэлектрических преобразователей позволяет создавать установки любой мощности и делает их весьма перспективными

Один из эффективных способов использования фотоэлементов – фотоэлектрический транспорт. Многие фирмы создают автомобили на солнечных фотоэлементах. В 1980 г. изготовлен первый солнечный самолет «Солар Челленджер», который может пролететь 160 км.

Существенным недостатком существующих солнечных энергетических установок является неравномерность их работы, что связано с изменением потока солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, вызванного погодными условиями, сменой времен года и временем суток.

Солнечные аэростатные электростанции могут стать одним из возможных новых направлений, позволяющих более эффективно использовать солнечную энергию. У солнечных аэростатных электростанций основной элемент – аэростат – может быть вынесен на несколько километров над поверхностью Земли, выше облаков, что обеспечивает непрерывное использование солнечной энергии в течение дня (рис. 2.14, 2.15). Принципиальная схема работы солнечной аэростатной электростанции (САЭС) с паровой турбиной заключается в поглощении поверхностью аэростата солнечного излучения и нагрева за счет этого водяного пара, находящегося внутри (см. рис. 2.14). При этом оболочка аэростата выполняется двухслойной. Солнечные лучи, проходя через наружный прозрачный слой, нагревают внутренний слой оболочки с нанесенным покрытием, поглощающим солнечное излучение. Находящийся внутри оболочки водяной пар нагревается поступающим через оболочку тепловым потоком до 100–150°С. Прослойка газа (воздуха) между слоями, выполняя роль теплоизоляции, уменьшает потери тепла в атмосферу. Давление пара практически равно давлению наружного воздуха. Водяной пар по гибкому паропроводу подается на паровую турбину, затем конденсируется в конденсаторе, вода из конденсатора вновь подается насосами во внутреннюю полость оболочки, где испаряется при контакте с перегретым водяным паром. К.п.д. такой установки может составить 25%, причем благодаря запасу водяного пара во внутренней полости аэростата установка может работать и ночью. При диаметре аэростата 150 м и размещении на высоте 5 км установка может иметь мощность 2 МВт.

 

Рис. 2.15. Аэростатная солнечная электростанция: 1 – оболочка баллона аэростата; 2 – тонкопленочные солнечные элементы; 3 – канат с электрическим кабелем; 4 – барабан; 5 – электромотор7редуктор; 6 – инвертор

 

Аэростатные солнечные электростанции могут быть размещены в черте города

Такие САЭС могут размещаться в нескольких сотнях метров над поверхностью земли с силовой паротурбинной установкой на земле или над поверхностью моря с силовой установкой на заякоренных платформах, к которым также крепится аэростат. При расположении аэростата на высоте 5–7 км обеспечивается работа САЭС, не зависящая от погодных условий. При этом силовая паротурбинная установка может размещаться на земле или в люльке аэростата с передачей электроэнергии по кабелю на землю. В настоящее время имеется опыт использования таких САЭС в Тайване.

Первая опытно-промышленная САЭС «Черная жемчужина», введенная в эксплуатацию в 2003 г., состоит из приемника солнечной энергии в виде нескольких слоев гибких сферических оболочек. Важным достоинством конструкции является то, что пар, нагнетаемый компрессором в разделенное на отсеки пространство между прозрачной и поглощающей оболочкой, благодаря автоматизированной системе клапанов циркулирует только на освещенной стороне. Такая САЭС мощностью 5 МВт занимает площадь 0,3 км 2. В другой САЭС «Черная луна», введенной в действие в 2005 г., центр оболочки диаметром 300 м находится на высоте 450 м, что позволило резко сократить используемую площадь. На основании положительного опыта эксплуатации этих САЭС Тайвань предусматривает их широкое строительство.

Другим возможным направлением использования в ХХI в. солнечной энергии является создание солнечных орбитальных электростанций с солнечными батареями, аккумулирующими энергию Солнца и преобразующими ее в микроволновое или лазерное излучение, направленное на Землю, где оно воспринимается специальными антеннами и затем преобразуется в электрическую энергию.

В качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую обычно служат солнечные элементы, которые соединяют вместе, образуя солнечные батареи.

В космосе, где нет атмосферы, облаков, смены дня и ночи, на единицу площади поступает круглосуточно солнечной энергии в десять раз больше, чем на земной поверхности. Исследовательские работы по солнечным орбитальным электростанциям начались в 70-е годы ХХ века в США, СССР и других странах.

В настоящее время работы над созданием таких станций ведутся в США, России, Японии и других странах с использованием новейших научно-технических достижений в фотоэлектрической энергетике, электронике и робототехнике. При этом дальнейшего решения требуют такие технические вопросы, как снижение массы орбитальных электростанций, затрат по выводу оборудования в космос и др.

Япония предусматривает на уровне 2030 г. собрать на орбите на высоте 36 тыс.км солнечную электростанцию, передающую электроэнергию на Землю в виде микроволнового луча, прием ее будет осуществляться наземной антенной. Важным достижением является получение недавно учеными из Японского космического агентства элементов, преобразующих энергию солнечного излучения в лазерный пучок с к.п.д. 42%.

Солнечные батареи международной космической станции

Для реализации таких сложных и дорогостоящих проектов, как создание солнечных орбитальных электростанций, важнейшим фактором является международное сотрудничество.