Солнечные системы для получения электроэнергии

Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Эту тепловую энергию можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество

Рассмотрим существующие на настоящий момент технологии получения электрической энергии на солнечных тепловых электростанциях.

Принципиальная схема строения таких энергетических гелиоустановок показана на рис. 2.34.

Электроэнергию получают за счет использования солнечной энергии в теплосиловых установках, где теплота от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения. В регионах с высоким уровнем солнечной радиации ее используют для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию.

Рисунок 2.34 - Принципиальная схема гелиоэнергетической установки

Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры равные или выше 700°С, достаточно высокие для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Для этого необходимо использование концентрирующих коллекторов солнечной энергии. Необходимо отметить, что изготовление параболических концентраторов с диаметром превышающим 30 м, довольно сложно.

Солнечные тепловые электростанции можно выполнить по двум вариантам:

§ использование большого количества рассредоточенных параболических коллекторов;

§ система большого количества гелиостатов и центральной сол­нечной башни.

Все описываемые технологии для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии.

На рис.2.35 показана система, состоящая из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за Солнцем. Коллектор имеет вид параболического тарельчатого зеркала (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки см. рис.2.36). Жидкость в приемнике нагревается до 1000^оС.
Концентраторы не обязательно должны иметь форму параболоидов, но обычно это предпочтительнее.

Каждый коллектор передает солнечную энергию жидкости - теплоносителю, горячая жидкость от всех коллекторов собирается в центральной энерго­станции.

1 — электроэнергия; 2—трубы под землей, по которым протекает

аммиак или пар; 3— солнечные лучи.

Рисунок 2.35 – Тепловая солнечная электростанция с

рассредоточенными коллекторами

Рабочим телом в коллекторах является вода, а в зимний период — водно-спиртовой раствор. Эффективность использования падающего на приемник излучения составляет от 20% до 35%, произведенная электроэнергия - от 10% до 30% эффективного падающего излучения.

Принципиальная схема паросиловой солнечной электростанции представлена на рис.2.37.

Рисунок 2.36 - Параболический коллектор модульного типа

Рисунок 2.37 - Принципиальная схема паросиловой солнечной

электростанции

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.
Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике. В октябре 1989 г. энергокомпания закрыла станцию из-за повреждений на глав ной турбине и нехватки средств для ремонта станции.

Теплонесущая жидкость может быть водяным паром, если она будет прямо использована в паровой турбине, или какой-либо термохимической средой - такой, как, например, диссоциированный аммиак. Схема устройства, основанного на диссоциации и синтезе аммиака, показана на рис. 2.34.

1 — зеркало; 2 — приемник, 3 — теплообменник;4 — тепловой

двигатель; 5 — камера синтеза; 6—сепаратор;7— к другим зеркалам

Рисунок 2.38 - Диссоциация и синтез аммиака как накопителя

солнечной энергии

Преимуществом последней системы является то, что в случае использования химического реагента отсутствуют потери между коллектором и тепловым двигателем, так что тепло может пере­даваться на большие расстояния или в течение длительного -времени (например, с вечера в течение всей ночи, что позволяет осуществить непрерывную генерацию электроэнергии). В этой системе солнечные лучи фокусируются на приемнике, в кото­ром газообразный аммиак при высоком давлении (около 30 МПа) диссоциирует на водород и азот. Эта реакция — эндо­термическая, дефект энергии составляет АН = - 46 кДж/моль NНз; солнечное излучение снабжает систему энергией, необхо­димой для протекания этой реакции. В присутствии катализа­тора в камере синтеза N₂ и Н₂ частично рекомбинируют, выде­ляемое при этом тепло можно использовать для подключения внешнего теплового двигателя или другого устройства. Выходя­щий из камеры синтеза поток охлаждается, что приводит к сжижению аммиака.

Альтернативный вариант состоит в исполь­зовании расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на централь­ный приемник, помещенный на вершине башни, так называемые солнечные электростанции башенного типа.

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.

а)

б)

а – башня с гелиостатами; б – выработка и передача электрической энергии

Рисунок 2.39 - Схема солнечной электростанции башенного типа

Система с центральным коллектором состоит из большого числа управляемых зеркал-гелиостатов, которые отражают солнечную радиацию и направляют ее на центральный приемник, помещенный на высокой башне, 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. При высокой степени концентрации солнечной радиации в приемнике может быть получен пар высокой температуры. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 ^оC.
Кроме воды можно использовать также и другие теплоносители (например, газообразные или жидкометаллические). В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используют:

§ водяной пар с температурой до 550 ⁰С;

§ воздух и другие газы – до 1000 ⁰С;

§ низкокипящие жидкости (в том числе фреоны) – до 100 ⁰С;

§ жидкометаллические – до 800 ⁰С.

Для производства электроэнергии в ночное время и в периоды понижения уровня солнечной радиации пользуются обычным топливным котлом, благодаря чему турбина может работать в различных режимах.

В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.

Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. 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.

Самая большая солнечная электростанция мощностью 10 МВт (Solar One) была построена в Калифорнии (США). Большинство подобных солнечных электростанций работает по одинаковому принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, "следящих" за Солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на довольно высокой башне. Ресивер- это солнечный котел, в котором производится водяной пар средних параметров, который потом направляется в стандартную паровую турбину. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 2.40.

Также в Калифорнии введена в эксплуатацию электростанция «Solar Two» - 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

Одной из ведущих стран по внедрению башенных солнечных электростанций является Испания. Одна из таких гелиоустановок показанная на рис. 2.42, построена в Севилье в 2007 г..

К примеру, опытная солнечная станция мощностью 50 кВт построенная в Италии, может генерировать 150 кг ч перегретого пара при температуре 500 ⁰С. Поле гелиостатов этой станции состоит из 270 зеркал диаметром 1 м каждое. Рассматриваются станции мощностью от 2 МВт до 100 МВт с высотой башни до 300-450 м. При строительстве солнечных станций необходимо ориентироваться на гелиостаты большой площади, так как в этом случае меньше вероятность повреждения их сильными ветрами.

Рисунок 2.40 - Башенная солнечная электростанция

Solar One

Рисунок 2.41 – Поле плоских гелиостатов электростанции

Solar One

Рисунок 2.42 – Башенная солнечная электростанция башня

(Севилья, Испания)

В 1985 г. в п. Щелкино в Крыму была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощности 5 МВт с 1600 гелиостатами (плоских зеркал) площадью 25.5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0.71. Они концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

Имеющийся опыт и технико-экономические расчеты показывают, что СЭС мощностью до 10 МВт не рентабельны. Оптимальной является СЭС мощностью 100 МВт при высоте башни 250 м. Управление такими станциями и ориентацией гелиостатов осуществляется с помощью ЭВМ. Крупные СЭС обычно состоят из отдельных блоков мощностью от 30 до 100 МВт.

Большим недостатком СЭС башенного типа является их высокая стоимость и большая занимаемая площадь.

Помимо гелиостанций с центральной башней в настоящее время началось использование гелиостанций с параболоцилиндрическими концентраторами. На рисунке 2.43 приведен параболоцилиндрический концентратор.

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель (см. рис. 2.44).

Эта жидкость нагревается почти до 400 ^оC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Рисунок 2.43 - Параболоцилиндрический

концентратор

Рисунок 2.44 - Поле безбашенной тепловой солнечной

электростанции с параболоцилиндрическими

концентраторами

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества.

Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 ^оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации.

Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт. Из-за многочисленных законодательных и политических трудностей компания "Luz International" и ее филиалы 25 ноября 1991 года известили о своем банкротстве. Теперь станциями "SEGS I - IX" управляют другие фирмы по старому контракту с "Southern California Edison". От планов постройки "SEGS X, XI, XII" пришлось отказаться, что означает потерю дополнительных 240 МВт запланированной мощности.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа, в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего

Коммерчески обоснованные энергетические системы от нескольких киловатт до сотен мегаватт достаточно жизнеспособны, электростанции мощностью 354 МВт эксплуатируются в Калифорнии с 1980 года. Объекты солнечной энергетики могут функционировать, как подключенными к общей сети, так и в распределенных, автономных сетях. Они подходят для гибридного производства энергии, и могут включать в себя экономически эффективные системы хранения энергии. Они могут работать во всем мире в районах с высоким уровнем инсоляции, в том числе, в большинстве районов юго-запада США, Центральной и Южной Америки, Африки, Австралии, Китая, Индии, Средиземноморского региона и Ближнего Востока. Коммерческие гелиоустановки давно достигли уровня затрат на производство энергии около 12-15 центов/кВтч, и снижение этого показателя, как ожидается, в конечном счете, приведет к самому низкому уровню в 5 центов/кВтч. Данная динамика исзменения цен приведена на рисунке 2.45.

На рисунке 2.45 синим цветом показаны текущие расходы, включая 1-2 цента/кВтч, а относящиеся к "восполняемой" энергетике, показанные зеленым цветом.

Advanced Concentrating Solar Power - Развитие солнечной энергетики;

Initial SEGS plants - Первые солнечные электростанции; Larger SEGS plants - Крупнейшие солнечные электростанции; O&M cost reduction

at SEGS plants - Снижение затрат на эксплуатацию и техобслуживание солнечных электростанций; Impact of 1-2 cent added for green power - Увеличение на 1-2 цента для «зеленой» энергетики; Conventional technology for peaking or intermediate power - Обычные технологии для пиковых и

средних уровней мощности

Рисунок 2.45 - Графики уровня стоимости электроэнергии

для крупных солнечных тепловых электростанций

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые или пустынные зоны. Так, районы, в которых годовое количество осадков не превышает 250 мм, занимают около 1/8 части всей суши Земли. На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн. км ² (площадь Сахары 7 млн. км ²) за год поступает около 5 10¹⁶ кВт ч солнечной энергии. При эффективном преобразовании солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления.

Сравним технические характеристики гелиоустановок выполненных по технологиям, которые представлены на рис. 2.46.

В таблице сведены ключевые характеристики трех вариантов солнечной тепловой электрогенерации. Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью элек

Рисунок 2.46 – Технологии получения электроэнергии

гелиоустановками

тростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер "тарелок" позволяет использовать их в небольших установках. Башни и "тарелки" позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

Таблица 2.3 - Характеристики солнечных тепловых электростанций

	Параболический концентратор	Тарелка	Электростанция башенного типа
Мощность	30-320 МВт	5-25 МВт	10-200 МВт
Рабочая температура (C/F)	390/734	750/1382	565/1049
Коэффициент готовности	23-50 %	25 %	20-77 %
Пиковый КПД	20%(d)	29.4%(d)	23%(p)
Практический годовой КПД	11(d)-16%	12-25%(p)	7(d)-20%
Промышленное применение	Прототип, пропорциональный промышленной установке	В стадии демонстрации	Существующие демонстрационные проекты
Риск, связанный с развитием технологии	Низкий	Высокий	Средний
Аккумулирование тепла	Ограничено	Аккумулятор	Да
Гибридные системы	Да	Да	Да
Стоимость, доллар/Вт	2,7-4,0	1,3-12,6	2,5-4,4

(p) = прогноз; (d) = факт;

Таблица 2.4 - Сравнение основных солнечных тепловых технологий

	Параболический концентратор	"Тарелка"	Электростанция башенного типа
Где применяется	Соединенные с сетью электростанции; техническое тепло для промышленных процессов.	Небольшие автономные энергоустановки; поддержка сети	Соединенные с сетью электростанции; техническое тепло для промышленных процессов
Преимущества	Диспетчеризация пиковой нагрузки; накоплено 4500 ГВтч опыта работы на коммерческом рынке; гибридная система (солнечная энергия/ископаемое топливо).	Диспетчеризация нагрузки, высокий коэффициент преобразования; модульность; гибридная система (солнечная энергия/ископаемое топливо).	Диспетчеризация базовой нагрузки; высокий коэффициент преобразования; аккумулирование тепла; гибридная система (солнечная энергия/ископаемое топливо).

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы 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.

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. 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.

1 -высокая концентрация соли; 2 - средний слой; 3 - низкая концентрация соли; 4 - холодная вода "в" и горячая вода "из"

Рисунок 2.47 - Схема солнечного пруда

Этот тип электростанции испытан в Бейт Ха'Арава (Израиль), возле Мертвого моря. Израиль является мировым лидером в области использования соленых солнечных прудов. Компания "Ormat Systems Inc." установила несколько таких систем в акватории Мертвого моря.

Самая крупная из них имеет мощность 5 МВт. Пруд площадью 20 га превращает солнечный свет в электричество при КПД около 1%. Нижние слои воды в пруде имеют очень высокую плотность. Хотя солнечный пруд успешно работал в течение нескольких лет, в 1989 г. его пришлось закрыть по экономическим соображениям.

Крупнейшим в США является солнечный пруд площадью 0,3 га в Эль Пасо (штат Техас). Он проработал без остановки с момента своего открытия в 1986 г. Он приводит в действие 70-киловаттный турбогенератор Рэнкина и опреснительную установку объемом 20 000 литров в день, а также поставляет техническое тепло на соседний пищевой комбинат. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 ^оC 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. За пять лет работы установка выработала свыше 50000 кВт·ч электроэнергии.

Искусственный соленый солнечный пруд сооружен в Майамисбурге (штат Огайо, США). Он используется для обогрева городского плавательного бассейна и дома отдыха.

Рисунок 2.48 - Искусственный соленый солнечный пруд

(Майамисбург, штат Огайо, США)

Дата добавления: 2015-08-18