2. Солнечная электростанция

В конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Все эти СЭС построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни. Ресивер представляет собой по существу солнечный котёл, в котором производится водяной пар средних параметров, направляемый затем в стандартную паровую турбину.

Самая крупная башенная СЭС мощностью 10 МВт (Solar Оne) была построена в Калифорнии в США в 1981 г. Центральный приемник солнечных лучей установлен на колонне высотой 122 м. 3000 гелиостатов (двухосно следящих зеркал), занимающих площадь 525 га, фокусируют солнечную энергию на приемнике. Им является котел, подающий пар в обычную турбинную установку, расположенную у основания колонны. Станция работает на мощности, близкой к номинальной, в течение 10-12 часов в сутки. Тепловая аккумулирующая емкость хранит тепло для работы в ночное время. Схема установки приведена на рисунке 4.12.

1 - солнечный свет: г - гелиостаты. 3 - перенос тепла рабочей жидкости: 4 - резервуар для рабочей

горячей жидкости: 5 - теплообменник; 6 - резервуар для отработавшей рабочей жидкости; 7 - турбина; 8 - генератор; 9 - конденсатор: 10 - градирня: 11,12- насосы

Рисунок 4.12 – Схема солнечной электростанции

К настоящему времени ни одна из этих семи СЭС более не эксплуатируется, поскольку намеченные для них исследовательские программы выполнены, а эксплуатация их как коммерческих электростанций оказалась невыгодной. В 1992 г. Эдисоновская компания Южной Калифорнии, основала консорциум из энергетических и промышленных компаний, которые вместе с Министерством энергетики США финансируют проект по созданию башенной СЭС Solar Two путем реконструкции Solar One. Мощность Solar Two по проекту должна составить 10 МВт, т.е. остаться той же, что и ранее. Основная идея намеченной реконструкции состоит в том, чтобы заменить существующий ресивер с прямым получением водяного пара на ресивер с промежуточным теплоносителем (нитратные соли). В схему СЭС будет включен нитратный бак-аккумулятор вместо примененного в Solar One гравийного аккумулятора с высокотемпературным маслом в качестве теплоносителя. Разработчики рассматривают её как прототип, который позволит на следующем этапе создать СЭС мощностью 100 МВт. Предполагается, что при таком масштабе СЭС этого типа окажется конкурентоспособной с ТЭС на органическом топливе.

3. Ветровая электростанция

Ветровая электростанция состоит из ветроустановок (ВУ). На ВУ кинетическая энергия ветрового потока преобразуется в электрическую. ВУ конструктивно состоит из ветроколеса с лопастями, повышающего редуктора, ветрогенератора, инвертора, аккумуляторной батареи. Принцип действия ветрогенератора таков: сила ветра вращает ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора, превращающего механическую энергию в электрическую. Вырабатываемая в генераторе электроэнергия может подаваться в сеть. В настоящее время используются ветрогенераторы двух типов: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. 95% составляют ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Инвертор выполняет задачу преобразования электрического тока в синусоидальный и дополнительную стабилизацию напряжения. Аккумулятор подаёт напряжение в сеть нагрузки при отсутствии ветра.

Стоимость ЭЭ на ВЭС ниже, чем на любых других станциях.

Скорость ветра непрерывно меняется, что приводит к соответствующим колебаниям механической мощности на валу ветроколеса. Максимальную мощность ветродвигателя с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветра, можно определить по выражению

(4.13)

где D - диаметр ветроколеса; ρ - плотность ветра; V - скорость набегающего потока ветра.

При конструировании ветродвигателя обычно ставится задача получить агрегат, который может работать при больших скоростях ветра и одновременно обеспечивать высокий КПД преобразования. Выполнение последнего условия зависит от двух факторов: формы лопастей и быстроходности. У ветроколес с горизонтальной осью, параллельной потоку, в зависимости от рабочих параметров и условий работы обычно имеются либо две, либо три лопасти. Двухлопастное колесо обеспечивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако в ряде случаев оно подвержено значительным вибрационным нагрузкам, отсутствующим в трехлопастном ветроколесе. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к минимуму, уменьшив ее массу. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик и особенно армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными характеристиками.

Из выражения (4.1) на первый взгляд следует, что максимальная мощность неограниченно возрастает с ростом скорости ветра. Однако это верно лишь теоретически, на практике же еще необходимо, чтобы КПД также имел максимальное значение, что осуществимо при условии v=V/3 ( V - изменение скорости ветра при подходе к ветроколеcу). Для ветроколеса с горизонтальной осью вращения, форма и размеры которого заданы, это условие выполняется лишь при одном значении скорости. Таким образом, в конструкции ветродвигателя заложено некоторое максимальное значение скорости V_max, при котором он должен работать. При скоростях ветраниже V_mах выходная мощность ветродвигателя меньше номинальной; а при скоростях, больших V_max - падает КПД преобразования энергии ветра в механическую. Так, при увеличении скорости ветра на 33% вырабатываемая мощность - удвоится, а при ее уменьшении на 33% упадет вдвое. Для ветродвигателя существует также минимально допустимая скорость ветра. Ветроколесо с горизонтальной осью вращения должно вращаться, начиная с некоторой минимальной скорости ветра, но максимальная мощность выбирается лишь при номинальном значении скорости, которая на 9-16 км/ч больше среднегодовой скорости ветра для данной местности.

При изменении скорости ветра происходят колебания электрической мощности, создаваемой ВУ. Эти колебания приводят к изменениям активной и реактивной мощности, напряжения и силы тока. Воздействие колебаний выходной мощности можно сгладить аккумулированием энергии.

Существует несколько путей использования энергии ветра электроснабжающими компаниями. Режим экономии топлива. Этот метод заключается в непосредственной подаче электроэнергии от ВУ в электрическую систему. Во время ее работы экономится топливо. Метод не требует аккумулирования энергии, и его можно применять во всех сетях.

Режим непрерывной выработки электроэнергии. При таком режиме электроэнергия от ВУ сначала поступает в аккумулирующую систему, а оттуда в электрическую сеть.

Режим параллельной работы ВУ с ГЭС и ГАЭС также позволяет экономить топливо.

Разработкой ВУ занимаются многие страны. Крупные ВУ в большинстве стран строятся с горизонтальным валом, имеющим диаметр до 100 м. Наиболее крупные ВУ работают в Германии (3000 кВт), Швеции (3000 кВт), Великобритании (3700 кВт), США (2500, 3000 кВт). В Канаде действует ВУ с вертикальным валом мощностью 4000 кВт.

В РФ в настоящее время разрабатываются унифицированные ветроэнергетические установки мощностью от 1 до 250 кВт.

Крупная ВЭС в настоящее время сооружается в Калининградской области