Материал: Повышение эффективности энергетической системы Казахстана за счёт внедрения солнечной электроэнергетики

Этот эффект послужил основанием для разработки конструкции аэростатной гелио электростанции. Источником энергии в ней является специальная емкость аэростата, заполненная рабочим телом, чаще водяным паром. Внутренняя часть аэростата покрыта специальным светопоглощающим селективным покрытием и за счет того что внешняя часть баллона пропускает солнечные лучи пар в аэростате нагревается до 150-180°С. Пар образованный в результате этого процесса будет иметь давление идентичное атмосферному и температуру130-150°С. Генерация пара происходит за счет постоянного распыления в нутрии аэростата не нагретой воды.

По средствам гибкого паропровода из аэростата водяной пар отправляется в турбину, пар в специальном конденсаторе при выходе из турбины переходит в жидкое агрегатное состояние. Обратно в аэростат воду подают с помощью специального водяного насоса. Генерация электроэнергии ночью в такой электростанции осуществляется за счет того пара что был накоплен за время солнечной активности. Возможно регулирование мощности в течении суток, в зависимости от необходимых потребностей.

Не решенной на данный момент проблемой аэростатных солнечных электростанций является размещения их в пространстве. Возможны различные варианты размещения таких электростанций : в горной местности, над поверхностью океанов и морей, в воздушном пространстве. При рассмотрении каждого варианта имеются свои положительные и отрицательные стороны. Необходимо учитывать все возможные факторы: климатические и географические условия, длину паропровода, возможные помехе воздушному транспорту [19].

Данный вид солнечных электростанций имеет неплохую перспективу, так как затраты на строительства таких аэростатных станций не большие. Серизной проблемой является закрепления паропровода и большое расстояния от непосредственно аэростата до турбины. Данные технические проблемы можно решить, используя в паропроводе материалов термостойких и имеющих большой теплоизоляционный КПД.

СЭС башенного типа. Принцип действия солнечных электростанций башенного типа заключается в получении водяного пара при помощи нагрева специального резервуара с водой с использованием концентрированного солнечного излучения, и дальнейшего получения электроэнергии за счет подачи пара на турбогенератор.

В центре всей системы расположена башня, на вершине которой размещен резервуар-приемник с водой, окрашенный в черный цвет для большего поглощения концентрированного солнечного излучения, и, соответственно, получения большей температуры нагрева самого резервуара с водой. В самой башне также расположена насосная система, осуществляющая доставку водяного пара из резервуара на турбогенератор, расположенный вне башни.

Концентрация солнечного излучения на резервуаре-приемнике осуществляется с помощью системы гелиостатов, размещенных вокруг центральной башни. Гелиостат представляет собой зеркало площадью в несколько квадратных метров, закрепленное на опоре и подключенное к общей системе позиционирования. Система позиционирования, в зависимости от текущего положения солнца, ориентирует каждый гелиостат на центральную башню так, чтобы отраженные лучи попадали точно на приемник. Сложность реализации системы позиционирования заключается в необходимости вращать каждый гелиостат вокруг двух осей практически в реальном времени. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе, помимо использования воды (водяного пара), могут использоваться воздух и гелий, синтетические масла. Также производители экспериментируют с другим теплоносителем - расправленными солями. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.

Рисунок 15. Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником.

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов (в соответствии с рисунком 15). Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, 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. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482⁰C.

Первая башенная электростанция под названием "SolarOne" 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 "SolarOne" 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 288⁰C и проходит через приемник, где нагревается до 565⁰C, 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.

"SolarTwo" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - 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 550⁰C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "SolarTwo" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт[20].

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций 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.

СЭС тарельчатого типа.

Рисунок 16. Солнечная установка тарельчатого типа.

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки (в соответствии с рисунком 16). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

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 (SolarTotalEnergyProject) 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.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы "StirlingTechnology", "StirlingThermalMotors" и "DetroitDiesel" совместно с корпорацией "ScienceApplicationsInternationalCorporation" создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга[21].

СЭС использующие двигатель Стирлинга.СЭС, использующие двигатель Стирлинга, состоят из непосредственно двигателя Стирлинга с газообразным или жидким рабочим телом соединенного с ним электрогенератора и концентратора в форме параболической антенны.

Поверхность параболической антенны покрыта отражающим световой поток материалом. Именно параболическая форма отражающей поверхности обеспечивает концентрацию солнечных лучей таким образом, что они собираются в одной точке - фокусе параболоида, создавая там очень высокую температуру, превышающую 3,5 тысячи градусов Цельсия. При этом температура напрямую зависит от размеров параболоида. Таким образом, с помощью параболической антенны, осуществляется преобразование солнечной энергии в тепловую энергию.

Для преобразования тепловой энергии, полученной на предыдущем этапе, в электрическую энергию используется двигатель Стирлинга в связке с электрогенератором. Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объеме. Принцип работы объема рабочего тела основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения.

В роли газообразного рабочего тела может выступать не только воздух, но также водород или гелий. В роли жидкого рабочего тела - сжиженный пропан-бутан, вода. В последнем случае вода остается в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла.

Двигатель Стирлинга может работать не только от сжигания топлива, а от почти любого перепада температур, вплоть до перепада температур между разными слоями воды в океане. Именно эта особенность сделала возможным применение двигателя Стирлинга в солнечных электростанциях, где нагрев рабочего тела происходит за счет сконцентрированного солнечного излучения.

Стоит отметить ряд преимуществ двигателя Стирлинга по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Главное преимущество заключается в том, что в случае преобразования солнечной энергии двигатель Стирлинга дает больший КПД, чем тепловые машины на пару, и может достигать 31,25 процентов. Еще одним важным преимуществом является простота конструкции двигателя, и, как следствие, небывалый для других двигателей ресурс работы. Еще один плюс - бесшумность работы двигателя. Двигатель Стирлинга не расходует рабочее тело и не имеет выхлопа, а значит и не шумит, и более того, практически не имеет вибраций.

В итоге, процесс преобразования солнечной энергии в электрическую выглядит следующим образом: концентратор превращает солнечное излучение в тепло; двигатель Стирлинга превращает тепло, отданное ему концентратором, в механическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую с помощью электрогенератора.

СЭС, использующие параболические концентраторы.

Рисунок 17. СЭС использующие параболические концентраторы

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель (в соответствии с рисунком 17). Эта жидкость нагревается почти до 400⁰C 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.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "LuzInternational", 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. "LuzInternational" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "SolarElectricGeneratingSystem 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 [22].

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), 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.

СЭС распределенного типа. Солнечная электростанция распределенного типа состоит из большого числа модулей, каждый из которых, в свою очередь, состоит из концентратора солнечного излучения и приемника в виде трубки, в котором концентрируются отраженные солнечные лучи. По трубке-приемнику течет теплоноситель, в качестве которого чаще всего выступает синтетическое масло.

Солнечные электростанции распределенного типа в зависимости от конструкции концентратора подразделяются на два типа - СЭС, использующие параболические концентраторы, и СЭС тарельчатого типа.

СЭС, использующие параболические концентраторы, состоят из зеркал-отражателей в форме желобов. В фокусе параболы устанавливается трубка-приемник, в которой концентрируются отраженные солнечные лучи.

Теплоноситель, протекающий по трубке, нагревается и отдает тепло воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор, где и происходит выработка электричества.

Отличие СЭС тарельчатого типа от СЭС, использующих параболические концентраторы, заключается только в конструкции самого концентратора. СЭС тарельчатого типа состоят из зеркал-отражателей в форме тарелок

Приемник устанавливается на некотором удалении от отражателя, в нем концентрируются отраженные солнечные лучи. Сам процесс выработки электричества полностью совпадает с таковым на СЭС с параболическими концентраторами.

.3.3 Комбинированные СЭС

Солнечная комбинированная электростанция запускает теплорегуляционые петли теплоотдачи от фотоэлектрических и фототермических термогенераторов оснащенных зеркальными параболоцилиндрическими модулями-концентраторами предпочтительно арсенид-галлиевыми термостойкими солнечными элементами с максимально возможной высокоточной коррекцией оптических потерь. Электростанция так же оснащена низкотемпературной петлей с гелио корректорами, по сравнении с водой рабочие тело паросилового контура имеет большей КПД и более выгодные термодинамические свойства. Двигатели электростанции выполнены в виде объемной роторной паровой машины по металлоемкости и надежности превосходящею паровую турбину. Общий фотодинамический коэффициент превышает другие термобарические солнечные электростанции.

Коэффициент полезного действия чисто термодинамического пароводяного цикла Ренкина не превышает 16%, что является недостатком данного вида электростанций. С этим связана большое снижение эффективности землепользования и соответственно высокая стоимость оборудования и очень большой срок окупаемости.