Нетрадиционные возобнов. источники энергии

В это время работы активизировались в Соединенных Штатах Америки (США) где компания Loose lndustries в самом конце 1989 г. запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечногазового» кВт часа до 7…8 центов, что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт час энергии – во столько обходится электричество, производимое на АЭС.

1.2. Устройство и принцип действия солнечных электростанций

1.2.1. СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации (рис. 1).

Рис. 1. СЭС башенного типа

В центре станции стоит башня, на вершине которой находится солнечный парогенератор, лучепринимающая поверхность которого покрыта черным селективным покрытием для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат – зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплѐнное на опоре и подключѐнное к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудоемкая задача – это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отра-

10

женные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 °С. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

В 2007 г. была построена PS10 – первая в Европе коммерческая термальная солнечная электростанция "солнечная башня" (solar power tower). Мощность станции, возведѐнной в Андалусии, составляет 11 МВт (приложение А, рис. А 2). Принцип еѐ работы прост: поле из множества гелиостатов – зеркал, отслеживающих движение Солнца, собирает свет и направляет его на вершину высокой башни, где отражѐнный солнечный свет превращает воду в пар. Пар бежит по трубам и, в конечном счѐте, крутит турбины, соединѐнные с электрическими генераторами.

Этот способ выработки электричества пока втрое дороже традиционных источников. Но технологии развиваются.

По такой схеме не раз создавались установки во многих странах, но электростанция, управляемая компанией Solúcar Energía, филиалом промышленного гиганта Abengoa, пожалуй, самая внушительная из всех.

Еѐ 624 зеркала, площадью по 120 м2 каждое, направляют свет на красивую бетонную башню, высотой 115 м.

С новой станцией Испания вырвалась вперѐд в данной технологии использования солнечной энергии, но сама идея таких башен далеко не нова.

Из крупных сооружений такого типа можно вспомнить проект Solar One – Solar Two. Эта демонстрационная солнечная электростанция работала и развивалась с 1981 по 1999 гг. в пустыне Мохаве (Калифорния). В последней версии (Solar Two) солнечную башню этой станции окружали 1926 гелиостатов, общей площадью почти 83 тыс. м2. Еѐ мощность превышала 10 МВт (приложение А, рис. А 3).

Интересно, что солнечный свет грел не воду, а промежуточ-

ный теплоноситель – расплавленную соль. Это была смесь нит-

рата натрия и нитрата калия. От неѐ уже закипала вода, дающая пар для турбин (в первом варианте станции – Solar One – теплоно-

сителем являлось масло).

11

Этот приѐм позволил Solar Two накапливать тепло про запас. В облачную погоду или вечером турбины работали на энергии, сохранѐнной в больших цистернах с горячей солью.

По аналогичному проекту в Испании планируют возвести станцию Solar Tres на 15 МВт (приложение А, рис. А 4).

Проект предусматривает постройку высокой солнечной башни, окружѐнной 2493-мя зеркалами по 96 м2 каждое. Общая площадь зеркал составит 240 тыс. м2.

Вместительное хранилище расплавленной соли (нагретой до температуры 565 °С) сможет обеспечивать работу парогенераторов в течение 16 ч после захода Солнца. Так что летом генераторы станции не будут останавливаться ни днѐм, ни ночью.

Внешне Solar Tres будет похожа на Solar Two. А пока можно посмотреть только на схему станции (рис. 2). Цифрой 1 показано хранилище горячей соли, 2 – холодной, 3 – парогенератор, соединѐнный с турбиной 4 и конденсатором 5.

Рис. 2. Технологическая схема Solar Tres: хранилища соли:

1 – горячей; 2 – холодной; 3 – парогенератор; 4 – турбина; 5 – конденсатор

Еврокомиссия выделила на это чудо 5 млн. евро. Создаѐт станцию международная организация SolarPACES, участвовавшая и в создании PS10. При этом в проектировании и постройке Solar Tres задействованы компании из Испании, Франции, Чехии и США.

Интересно, что и в PS10 предусмотрено аккумулирование энергии. Только непосредственно в виде горячего водяного пара,

сохраняемого в наборе из больших цистерн. Его запаса хватает на один час работы турбин без солнца, так что ночной перерыв эта

12

система не перекрывает, но всѐ же даѐт станции некоторую гибкость на случай временно набежавших тучек.

Надо заметить, что PS10 – не единственная солнечная электростанция в Испании. Здесь работают ещѐ несколько крупных солнечных сооружений самых различных типов. Но проект PS10 представляет собой особый интерес: в том же месте инженеры планируют возвести ещѐ одну установку – близнец под названием PS20. Только она уже будет генерировать мощность в 20 МВт, собирая свет от большего количества зеркал (приложение А, рис. А5).

1.2.2. СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у башенных СЭС, но есть отличия в конст-

рукции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей.

Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца (расположены в фокусной точке каждой тарелки). Отражатель представляет собой параболический концентратор, выполненный в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 7 метров, а количество зеркал – нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

В феврале 2008 г. Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга (рис. 3 и приложение А, рис. А 6).

приемник

Рис. 3. СЭС тарельчатого типа

отражающий

концентратор

13

Двигатель – тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объѐме, раз-

новидность двигателя внешнего сгорания.

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Рабочий цикл двигателя Стирлинга представлен на рис. 4.

1 2

а – вытеснительный поршень; b – рабочий поршень; с – маховик; d – огонь (область нагревания); e – охлаждающие ребра (область охлаждения).

1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).

2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.

3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.

4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждѐнный воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90 ° относительно движения поршня-вытеснителя.

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9…25 кВт. Разрабатываются бытовые

14

установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22…24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров, мощностью до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в Южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию суммарной мощностью 850 МВт.

1.2.3. СЭС, использующие солнечные батареи

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (солнечных батарей) различной мощности (приложение А, рис. А 7). Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.).

Мощность солнечной фотовольтаической установки рассчитывается по формуле:

Р = J·S·ή,

где Р – мощность вырабатываемая солнечной установкой, кВт; J – мощность солнечного излучения, поступающего на фотопреобразователи солнечной батареи, кВт/м2 ; S – площадь солнечных батарей, м2 ; ή – коэффициент полезного действия фотопреобразователей.

Важнейшей характеристикой солнечной батареи является коэффициент полезного действия еѐ фотопреобразователей, который зависит от используемых полупроводниковых материалов и конструкции батареи (табл. 1).

Таблица 1 Характеристики солнечных батарей разных типов

Устанавливаться солнечные батареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выде-

15

ленными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посѐлка.

В настоящее время крупнейшей в мире фотоэлектрической станцией является Topaz Solar Farm, расположенная в штате Калифорния, США. Строительство электростанции началось в ноябре 2011 г. Отпуск электроэнергии потребителям производится с февраля 2013 г. Станция полностью введена в эксплуатацию в ноябре 2014 г. Стоимость проекта составила 2 млрд. долл. США.

Общая мощность Topaz Solar Farm составляет 550 МВт. Для генерации электричества используется 9 млн. тонкослойных фотоэлектрических модулей.

Topaz Solar Farm наряду с другими проектами возобновляемой энергии реализуется в рамках программы штата Калифорния – обеспечить получение 33 % потребляемой электроэнергии из возобновляемых источников к 2020 г.

Крупнейшие фотоэлектрические электростанции России находятся в Республике Крым. В 2011 г. возле села Охотниково австрийская компания Activ Solar более чем на 160 га построила солнечную электростанцию мощностью 80 МВт. Электростанция состоит примерно из 360 тыс. модулей и может вырабатывать до 100 ГВт·ч электроэнергии в год.

Та же компания Activ Solar в январе 2012 г. объявила о завершении строительства и начале ввода в эксплуатацию солнечной электростанции «Перово» общей мощностью 105,56 МВт (приложение А, рис. А 8). Электростанция состоит из 440 000 кристаллических солнечных фотоэлектрических модулей, соединѐнных 1500 км кабеля, и установленных на более 200 га площади. Установка может производить 132500 МВт·час чистой электроэнергии в год, что достаточно для удовлетворения плановой пиковой потребностей в электроэнергии Симферополя. Станция позволяет сократить выбросы углекислого газа на 105 тыс. т в год.

1.2.4. СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы

В этих установках используются параболоцилиндрические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на теплоприемнике, содержащем жидкость – теплоноситель (термо-

стойкое кремнийорганическое масло). Теплоприемник выпол-

16

нен в виде стальной трубы, окруженной стеклянной оболочкой и помещен вдоль фокусной линии цилиндра. Пространство между трубой и стеклянной оболочкой вакуумировано, а на поверхность трубы нанесено селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в инфракрасной области. Эта жидкость нагревается почти до 400 °C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем (рис. 5).

Рис. 5. Устройство параболоцилиндрических концентраторов

Построенные в 80-х гг. в южно-калифорнийской пустыне фирмой “Luz International”, девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества (приложение А, рис. А 9). Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. “Luz International” установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электроге-

нерирующую 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 электростан-

17

ции “SEGS II-VII” мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены “SEGS VIII и IX”, каждая мощностью 80 МВт.

На рис. 6 показана принципиальная тепловая схема СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (80 МВт, Калифорния, США).

Рис. 6. Тепловая схема СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами: 1 – поле параболоцилиндрических концентраторов; 2 – пароперегреватель; 3 – парогенератор; 4 – экономайзер; 5 – теплоприемник промперегрева; 6 – паровая турбина;

7 – газовый котел

Вместо теплового аккумулятора в данной схеме использован газовый котел.

1.2.5. Аэростатные СЭС

Источником энергии в аэростатной СЭС является баллон аэ-

ростата, заполненный водяным паром. Внешняя часть баллона пропускает солнечные лучи, а внутренняя покрыта селективным светопоглощающим покрытием, и позволяет нагревать содержимое баллона до 150…180 °С. Полученный внутри пар будет иметь температуру 130…150 °С, а давление такое же, как атмосферное. Распыляя воду внутри баллона с перегретым паром, получают генерацию пара.

Пар из баллона отводится в паровую турбину посредством гибкого паропровода, а на выходе из турбины превращается в конденсаторе в воду. Из него воду с помощью насоса подают обратно в баллон. За счет пара накопленного за день такая электростанция может работать и ночью. В течение суток мощность турбогенератора можно регулировать в соответствии с потребностями.

18

Главной проблемой является способ размещения солнечных аэростатных электростанций. Такие электростанции можно размещать над землей, над морем или в горах. В каждом случае есть свои плюсы и минусы. Здесь необходимо все учитывать: и длину паропровода, и место размещения турбогенератора, и то, чтобы баллоны не мешали движению самолетов.

1.2.6. Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают

теплообменные аппараты для получения горячей воды, кото-

рая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и солнечных батарей, что тоже счи-

тается комбинированной СЭС.

Так в Испании к 2013 г. различные по принципу действия солнечные установки, которые развернут (и уже разворачивают) на площадке в Sanlucar la Mayor, должны производить 300 МВт электрической энергии, что эквивалентно потребностям такого города как Севилья. Эти установки будут самыми разными: свой вклад внесут и солнечные башни, и ряд других систем, основанных на нагреве теплоносителя и парогенераторах, а ещѐ – обычные наборы фотоэлектрических батарей.

Солнечная станция компании Solúcar в Санлукар-ла-Майор проверяет в деле самые разные технологии. Например, установка тарельчатого типа с двигателями Стирлинга (слева) и параболоцилиндрические (в поперечном сечении) зеркала большой длины с трубами для разогрева теплоносителя (приложение А, рис. А 10).

Существуют и другие способы получения энергии от солнца, и если удастся решить все проблемы, то спрос на такую продукцию может быть практически неограничен. С помощью новых разработок можно будет решить проблемы энергоснабжения отдаленных труднодоступных районов, сократить потребление топливных ресурсов в больших мегаполисах, защитить окружающую среду от излишнего загрязнения выбросами вредных веществ.

Форпост альтернативной энергии появится в пустыне на юге Австралии, где фирма EnviroMission намерена построить электро-

станцию Solar Tower (”Солнечная башня”) – железобетонную трубу высотой около километра (приложение А, рис. А 11). Внутри

19