В качестве прототипа принимается известная фототермодинамическая солнечная комбинированная электрическая станция, содержащая циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенного с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса, содержащая электролизер разложения воды на водород и кислород, инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом.
С помощью известной фототермодинамической электростанции не представляется возможным достигнуть выше 20% суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии при получении электроэнергии.
Данный недостаток, в первую очередь, обусловлен тем, что прототипом предусмотрено применение низкотемпературных, в том числе кремниевых фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей, работоспособных с КПД 10% лишь при температуре не выше 55oC. Поэтому они располагаются на экономайзерах, которые используются, главным образом, для низкотемпературного подогрева с помощью приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии при коэффициенте концентрации менее 20, воды, циркулирующей в сети теплоснабжения и лишь в малой степени для подогрева конденсата, образующегося в паросиловом цикле.
В связи с этим фактором весьма незначителен вклад (менее 5%) сбросного тепла, получаемого при охлаждении низкотемпературных фотоэлементов, в выработку электроэнергии турбогенератором.
Другим фактором, обуславливающим низкий термодинамический КПД прототипа, являются невыгодные термодинамические свойства применяемого рабочего тела - воды в комбинированном фототермодинамическом паросиловом цикле солнечной электростанции. Это, прежде всего, высокие критические параметры водяного пара: давление 21,8 МПа, температура 374oC при высокой теплоте испарения 539 ккал/кг.
По указанным принципиальным причинам суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую в прототипе может быть даже ниже 20%.
Помимо низкого КПД, использование воды в качестве рабочего тела в паросиловом цикле, обуславливающее применение высоких температур и давлений, влечет за собой требование высокой прочности и соответственно металлоемкости оборудования при высокой стоимости, низкой надежности работы и опасности при эксплуатации прототипа.
В прототипе нерационально применение низкотемпературного экономайзера, снабженного приемниками модульного зеркально параболоцилиндрического концентратора со следящей системой.
Низкотемпературный подогрев конденсата и теплофикационной воды может быть осуществлен значительно проще, надежней и дешевле с помощью неподвижных солнечных коллекторов, не требующих концентрации и систем слежения за солнцем.
Экологическим недостатком прототипа является
выброс окислов азота в атмосферу с продуктами сгорания, дублирующим источником
тепла, выполненным в виде традиционной котельной установки с горелками на
газообразном топливе, сжигаемом в периоды отсутствия солнца. При сжигании
газообразного топлива в горелке при температуре пламени порядка 2000oC идет
интенсивный синтез окислов азота и в атмосферу выбрасывается до 1400 см3
названных окислов на 1 м3 дымовых газов (в пересчете на NO2), крайне токсичных
для человека и животных [24].
.3.4 Космические солнечные электростанции
Конструктивный облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет представлять собой грандиозное сооружение массой 20-50 тыс. т. Площадь солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км2. Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него будут существенно меньшими.
Выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км). Электростанция станет круглосуточно освещаемая Солнцем "повиснет", одной точкой земной поверхности практически непрерывно передовая и вырабатывая электроэнергию для Земли. Гелио электростанции небольших мощностей уже достаточно давно используются в космических программах. Принципиальной и нерешённой технологической задачей использования космических электростанций остаётся транспортировка электроэнергии. Транспортировка энергии из космоса на землю теоретический возможна при использовании лазера или СВЧ-излучению. Первый способ предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно низкие потери при обратном и прямом преобразовании энергии. Диаметр передающей антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который направляется в энергосистему страны.
Положительные свойства лазерного метода заключается в формировании узкого луча, в малых размерах приемного и передающего устройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразования энергии является невысокой, велики также потери лазерного излучения в атмосфере.
Суммарная эффективность процесса производства, передачи и приема энергии для всей энергосистемы, включая космическую и наземную части, оценивается в 5-20%, в том числе производство электроэнергии - 10-30%, передача-прием энергии - в 50-70%.
Для выведения с Земли на низкую космической солнечной опорную орбиту только одной электростанции потребуется не менее 200 пусков грузовых сверхмощных ракет-носителей, грузоподъемность которых составляет не менее 200 т. При эксплуатации космической солнечной электростанции и их развертывании необходимы дополнительные орбитальные комплексы - грузовые и гражданские корабли-буксиры, ремонтно-эксплуатационные и сборочно-монтажные станции, наземный центр управления системой [25].
Создание энергосистемы нового типа потребует больших расходов. Только разработка космической солнечной электростанции, включая НИОКР и создание первого полномасштабного образца электростанции, требует 100 млрд. долл. В эту сумму входят расходы на создание сверхмощных грузовых ракет-носителей, межорбитальных буксиров, сборочно-монтажных и ремонтно-эксплуатационных станций. Развертывание системы из 60 космических солнечных электростанций с соответствующими наземными приемными устройствами потребует дополнительно 1 трлн. (1012) долл.
При ресурсе работы каждой электростанции 30 лет, темпах ввода в эксплуатацию 2 шт/год и эксплуатационных расходах около 500 млн. долл/год на каждую электростанцию затраты на 1 кВт установленной мощности составят 4-5 тыс. долл., а коммерческая цена вырабатываемой электроэнергии 8-10 цент/кВт-ч.
Следует отметить, что возмещение затрат на
разработку системы (1011 долл.) предполагается осуществлять только через 20-30
лет после начала работ. Это означает удвоение расходов из-за необходимости
оплаты процентов на ссуду. Возможность выделения таких средств встретит большие
трудности. Напомним читателю, что разработка технических средств по программе
"Аполлон" потребовала 25 млрд. долл., а эксплуатация системы началась
через 8 лет после начала работ. Изыскание этих средств в 60-е годы встретило
значительные трудности, которые были преодолены политическим руководством США
на волне антикоммунистической кампании под лозунгом противостояния мнимому
господству СССР в космосе.
Выводы по первому разделу
СЭ является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В связи с этим мировая общественность признает солнечную энергетику как безопасный и экономически выгодный способ получения электроэнергии без ущерба для окружающей среды и человеческого здоровья. Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Она использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. На данный момент суммарная мощность всех солнечных электростанций по всему миру составляет 39778 МВт. В процентном отношении эта мощность составила пока только около 0,1% общемировой генерации электроэнергии, в связи с тем, что основная научная деятельность в энергетики была направлена на развитие атомной энергетики, а солнечной энергии не уделялось должное внимание.
Солнечная энергетика вслед за ядерной в настоящий момент переживает подъем. Такой "ренессанс" связан с ведением политики ужесточения экологических норм для поставщиков электроэнергии и непрерывным ростом.
Солнечная электроэнергетика - наиболее эффективный вид альтернативной, безопасной энергетики в обозримой перспективе человечества.
Основными лидерами по выработке электроэнергии из фотоэлектрических установок и на солнечных электростанций является Германия - 17320 МВт, Испания - 3892 МВт, Италия - 3502 МВт и США - 2519 МВт.
На сегодняшний день ведутся исследования по
усовершенствованию преобразователей солнечной энергии в электрическую.
Тестируются новые виды ТСЭС, подбираются наиболее подходящие теплоносители. В
фото электротехники так же ведутся работы по увеличению КПД фото модулей за
счет использования примесей различных химических элементов к кремневой основе
фото покрытия.
2. Состояние производства солнечной
электроэнергетики в Казахстане и предложения по рациональным перспективам ее
развития
.1 Состояние энергетической отросли в Казахстане
и государственные планы ее развития
Казахстан имеет крупные запасы энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь, уран) и является сырьевой страной, живущей за счет продажи природных запасов энергоносителей. До 2010 года Казахстан являлся нетто-экспортёром электроэнергии, а после 2010 года является нетто-импортером, то есть потребляет больше электроэнергии, чем производит. Север Казахстана экспортирует электроэнергию, производимую на построенной еще в советское время Экибастузской ГРЭС-1, в Россию, а юг покупает её у Киргизии и Узбекистана.
Производство электроэнергии.
Суммарная установленная мощность всех электростанций Казахстана составляет 19 тысяч МВт, а фактическая мощность - 14 558,0 МВт. Казахстан вырабатывает 87,2 млрд. КВтчас электроэнергии в год (данные 2012 г., против 1053 млрд. КВтчас Россией, и 3900 млрд. КВтчас - США, 4744 млрд. КВтчас - Китаем), то есть электровооруженность Казахстана 3,9 МВтчас/чел в год против 6,7 - в России, 14 - США, 3,2 - в КНР. К сожалению, выработка большинства электростанций не достигает установленной мощности (уровень выработки 1990 года - 87,4 млрд. КВтчас). Выработка по типу электростанций распределяется следующим образом:
ТЭС (тепловые электростанции) - 87,7%, в том числе:
КЭС (конденсационные электростанции) - 48,9%;
ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) - 36,6 %;
ГТЭС (газотурбинные электростанции) - 2,3%;
ГЭС (гидроэлектростанции) - 12,3% [2].
Около 72% электроэнергии в Казахстане вырабатывается из угля, 12,3% - из гидроресурсов, 10,6% - из газа и 4,9% - из нефти. Таким образом, четырьмя основными видами электростанций вырабатывается 99,8% электроэнергии, а на альтернативные источники приходится менее 0,2%.
Электрические станции разделяются на электростанции национального значения, электростанции промышленного назначения и электростанции регионального назначения.
К электрическим станциям национального значения относятся крупные тепловые электрические станции, обеспечивающие выработку и продажу электроэнергии потребителям на оптовом рынке электрической энергии Республики Казахстан:
ТОО "Экибастузская ГРЭС-1;
АО "Станция Экибастузская ГРЭС-2";
АО "Евроазиатская Энергетическая Корпорация" (Аксуская ГРЭС);
ТОО ГРЭС "Корпорация Казахмыс";
АО "Жамбылская ГРЭС",
а также гидравлические электростанции большой мощности, используемые дополнительно и для регулирования графика нагрузки ЕЭС РК:
Бухтарминская ГЭК АО "Казцинк",
ТОО "AES Усть-Каменогорская ГЭС",
ТОО "AES Шульбинская ГЭС".
К электростанциям промышленного значения относятся ТЭЦ, с комбинированным производством электрической и тепловой энергии, которые служат для электро-теплоснабжения крупных промышленных предприятий и близлежащих населенных пунктов:
ТЭЦ-3 ТОО "Караганда-Жылу;
ТЭЦ ПВС, ТЭЦ-2 АО "АрселорМиттал Темиртау";
Рудненская ТЭЦ (АО "ССГПО");
Балхашская ТЭЦ, Жезказганская ТЭЦ ТОО Корпорация "Казахмыс";
Павлодарская ТЭЦ-1 АО "Алюминий Казахстана";
Шымкентская ТЭЦ-1,2 (АО "Южполиметал") и другие.
Электростанции регионального значения - это ТЭЦ, интегрированные с территориями, которые осуществляют реализацию электрической энергии через сети региональных электросетевых компаний и энергопередающих организаций, а так же теплоснабжение близлежащих городов.
Установленные мощности
Суммарная установленная мощность электростанций Казахстана составляет 18,99 млн. кВт. В структуре мощностей 88% приходится на ТЭС, 12% - на ГЭС и менее 1% - на прочие виды генерации. Всего в эксплуатации находятся 63 электростанции.
Основу электроэнергетики Казахстана составляют крупные ГРЭС:
Экибастузская ГРЭС-1 - 4 млн. кВт;
Аксуская ГРЭС - 2,1 млн. кВт;
Жамбылская ГРЭС - 1,2 млн. кВт;
Экибастузская ГРЭС-2 - 1 млн. кВт.
На р. Иртыш сооружены Бухтарминская ГЭС - 0,7 млн. кВт, Усть-Каменогорская ГЭС - 0,3 млн кВт и Шульбинская ГЭС - 0,7 млн. кВт. На р. или построена Капчагайская ГЭС - 0,4 млн. кВт.
В число крупнейших ТЭЦ, осуществляющих тепло- и электроснабжение крупных промышленных предприятий и близлежащих населенных пунктов, входят: Павлодарская ТЭЦ, Шымкентская ТЭЦ, Балхашская ТЭЦ, Рудненская ТЭЦ и др.
Крупнейшими новыми проектами, которые планируется ввести в ближайшее время, являются:
Мойнакская ГЭС на р. Чарын (ввести в строй планируется в 2011 году, мощность составит 0,3 млн. кВт),
Балхашская ТЭС (ввод в эксплуатацию планируется в 2013 году, мощность на первом этапе - 1,3 млн. кВт, к 2016 году - 2,6 млн. кВт).
С 1973 по 1999 года на п-ове Мангышлак функционировал Мангистауский атомно-энергетический комплекс (бывшая Шевченковская АЭС) мощностью 52 тыс. кВт (на момент закрытия). Производимая электроэнергия использовалась для опреснения морской воды.
Производство и потребление электроэнергии.
В 2011 году в Казахстане было произведено 85,9 млрд. кВт ч электроэнергии (+5,4% к 2010 году). В структуре производства электроэнергии доля ТЭС составила 91%, ГЭС - 9%, ВИЭ - менее 0,5%.
Согласно Государственной программе по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан доля возобновляемых источников энергии в общем объеме производства электроэнергии к 2015 году должна превысить 1%.