Использование тепловых электрических станций разрушает окружающую среду, а источники энергии, на которых они работают, когда-нибудь полностью себя исчерпают. Гидроэлектростанции и АЭС также имеют собственные проблемы, связанные со сложностями строительства и дальнейшей эксплуатации. В связи с этим, во многих странах большое внимание уделяется разработками в области альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких вариантов является солнечная электростанция, использующая в работе практически неисчерпаемую и доступную энергию Солнца.
Разновидности солнечных электростанций
Многие страны мира в течение длительного времени пользуются солнечными электростанциями, способными преобразовывать энергию солнца в электрический ток. Они представляют собой различные виды инженерных сооружений, конструктивно различающихся между собой и работающих по собственным принципам.
Наибольшее распространение получили установки, работающие на основе фотоэлектрических элементов. Их основными компонентами являются солнечные панели, нередко занимающие довольно значительные площади. Они используются не только в производственной сфере, но и в частном секторе, обеспечивая электричеством все домашнее хозяйство. Принцип работы этих устройств основан на прямом преобразовании солнечного света в электрический ток.
Наряду с ними используются и другие солнечные электростанции, имеющие свои плюсы и минусы, с помощью которых электричество может производиться в промышленных объемах. В отличие от фотоэлементов, процесс преобразования включает в себя несколько этапов. Вначале энергия Солнца превращается в тепловую и нагревает рабочую жидкость, используемую в качестве теплоносителя. Далее, эта жидкость превращается в пар, поступающий в парогенератор и обеспечивающий вращение вала. Таким образом, получается электроэнергия, вырабатываемая примерно по такой же схеме, как на тепловых или атомных электростанциях.
Принцип работы солнечной электростанции является одинаковым для всех типов данных устройств. Они различаются между собой лишь разновидностями теплоприемников, где концентрируется солнечная энергия. В результате концентрации возникает тепло с температурой 200-1000 градусов, в зависимости от конструкции. Далее в работу включается паровая или газовая турбина, вращающаяся под действием полученного пара. Излишки тепловой энергии применяются в других производственных процессах или используются в системах отопления.
Каждая солнечная электростанция оборудована следящей системой, обеспечивающей максимальную концентрацию солнечных лучей в течение всего светового дня. Конструктивно типы солнечных электростанций могут быть башенными, тарельчатыми, параболическими, солнечно-вакуумными и другими. Для того чтобы понять, как они функционируют, рассмотрим их более подробно.
Солнечные электростанции башенного типа
Все башенные электростанции работают на воде, превращающейся в пар под влиянием солнечных лучей. В центре установки располагается башня, на вершине которой установлена емкость с водой. Данный резервуар окрашивается черным цветом, усиливающим его способность к поглощению солнечных лучей. Подача воды в емкость осуществляется насосами. В результате нагрева, вода превращается в пар с температурой более 500 градусов, приводящий в действие турбогенератор, установленный неподалеку от башни.
Максимальная концентрация солнечной энергии в нужной точке достигается за счет гелиостатов в количестве нескольких сотен, расположенных вокруг башни. Каждый из них направляет отраженный солнечный луч в точном направлении к емкости с водой. Гелиостат по своей сути является зеркалом с различной площадью, в зависимости от общей конструкции установки. Все зеркала устанавливаются и закрепляются на опорах.
Точное направление луча обеспечивается автоматическими системами фокусировки, определяющими позицию гелиостатов в соответствии с положением солнца в конкретное время дня. В наиболее жаркие дни величина температуры пара может достигать 700 градусов, и турбина функционирует в стабильном рабочем режиме.
В башенных электростанциях может использоваться не только вода. В некоторых зарубежных установках используются жидкие теплоносители в виде соляного раствора, сохраняющие тепло даже с наступлением темноты. Вначале соль разогревается до 565 градусов, после чего она поступает в емкость с жидким теплоносителем. Жидкость нагревается, и вся дальнейшая работа происходит оп общей схеме.
Действие тарельчатых электростанций
Электростанции тарельчатого типа включают в себя различное количество модулей. Они образуют самостоятельные группы, способные выдавать повышенную мощность, от сотен киловатт до нескольких мегаватт.
Каждый модуль конструктивно включает в себя несколько основных компонентов:
- Опоры для крепления ферм. Они же используются как основание для других элементов.
- Отражатель, концентрирующий солнечные лучи. Конструктивно изготовлен в форме тарелки, что и послужило названием для всей системы. Настройка каждого отражателя осуществляется в индивидуальном порядке. Максимальный диаметр зеркала составляет 2 метра.
- Приемник. Располагается непосредственно под отражателем и принимает на себя сконцентрированные солнечные лучи. Чаще всего в качестве приемника используется парогенератор или двигатель Стирлинга.
В целом, солнечные тарельчатые установки являются своеобразной батареей, включающей в себя параболические зеркала, напоминающие своей формой спутниковую тарелку. Они располагаются таким образом, чтобы сфокусированные лучи могли нагревать теплоноситель в приемнике до 1000 градусов. Такая температура обеспечивает работу генератора и производство электроэнергии практически в любых условиях.
СЭС на параболических концентраторах
Основное предназначение солнечного параболического концентратора состоит в фокусировании солнечных лучей, попадающих на приемник излучателя. Он расположен на линии или в точке фокуса коллектора солнечной энергии.
Типовой параболический концентратор включает в себя следующие компоненты:
- Отражатели (линзы), непосредственно концентрирующие солнечные лучи.
- Основание для установки и крепления отражателей.
- Солнечный коллектор, воспринимающий тепловую энергию.
- Трубопроводы для подводки и отведения теплоносителя.
- Система слежения с механизмом привода. Состоит из датчика направления на солнце, электронного преобразователя сигналов и электродвигателя с редуктором для поворотов концентратора в нужное положение. Ориентация может производится в одной плоскости – с востока на запад, или в двух плоскостях, когда добавляется движение с севера на юг. В последнем случае ориентация относительно Солнца происходит в течение всего года.
- Различные конструкции могут быть дополнены регулирующим вентилем, термометром, циркуляционным насосом, контуром отопительной системы и другими деталями.
Как работает солнечная электростанция на параболических концентраторах, какая схема при этом используется? Чтобы добиться высокой температуры в концентраторе, необходимо обеспечить отражение солнечных лучей с большой поверхности на меньшую площадь приемника. Через этот приемник проходит жидкий теплоноситель, поглощающий максимальное количество тепла и передающий его потребителю.
Система концентраторов позволяет фокусировать лишь прямые солнечные лучи, поэтому они становятся менее эффективными при пасмурной погоде. Такие установки демонстрируют наивысший КПД в районах с высокой солнечной активностью, расположенных ближе к экватору.
При промышленном использовании параболических установок, зеркальные концентраторы фокусируют солнечное излучение более чем в 100 раз превосходящее первоначальное значение. Это дает возможность разогревать жидкость до 400 градусов, после чего она проходит через теплообменники и производит пар, вращающий турбины парогенераторов. Во избежание тепловых потерь, приемная труба заключается в прозрачную стеклянную оболочку на протяжении всей фокусной линии.
Особенности аэростатных электростанций
Важнейший фактор, сдерживающий развитие данного направления, заключается в проблеме наиболее оптимального места, где можно разместить солнечную электростанцию.
Солнечное излучение, попадающее на земную поверхность, выдает мощность примерно 1 кВт на 1 м2 при условии ясной безоблачной погоды. Следовательно, для солнечных электростанций с их довольно низким КПД, потребуются огромные площади в несколько десятков квадратных километров. Кроме того, такие площадки должны иметь ровную поверхность, быть свободными от хозяйственной деятельности, обеспечивать свободный доступ для ремонта и обслуживание систем.
В настоящее время найти такую площадку практически невозможно. Теоретически для этих целей подходят моря и океаны, однако сами конструкции солнечных электростанций совершенно не годятся для размещения на морских водных поверхностях.
Данная проблема получила удачное разрешение после того как была создана аэростатная солнечная электростанция. Эти установки, оборудованные паровыми турбинами, действуют следующим образом. Поверхность аэростатного баллона поглощает солнечные лучи, которые разогревают водяной пар, находящийся внутри. Вся площадь аэростата покрывается современными селективными материалами с высокой степенью поглощения. Даже неконцентрированные солнечные лучи способны произвести нагрев до температуры 200 градусов и выше.
Оболочка аэростатного баллона изготовлена из двух слоев. Внешняя сделана из прозрачного материала и способна пропускать солнечные лучи. Внутреннюю оболочку покрывает поглощающий селективный слой, разогреваемый солнечными лучами до 160-180 градусов. Воздушная прослойка между оболочками выполняет функцию изолятора, снижающего тепловые потери.
Внутри баллона пар разогревается до 120-150 градусов, а внутреннее давление соответствует атмосферному. Нагретый пар подается в гибкий трубопровод и далее попадает внутрь паровой турбины. Пройдя через нее, он собирается в конденсаторе, откуда в виде воды с помощью насоса вновь закачивается в баллон. Здесь вода вступает в контакт с паром, и сама превращается в пар.
Основное преимущество аэростатных установок заключается в обеспечении работы паровой турбины в ночное время за счет запасов пара внутри аэростата. Работа ночью приводит к снижению подъемной силы аэростата примерно на 15%, что не нарушает его общего положения в воздухе и не влияет на последующую производительность. Недостаток пара восполняется днем за счет его генерации под действием солнечного излучения.
Фотоэлектрические электростанции
Более широкую известность, в том числе и среди хозяев частного сектора, получили фотоэлектрические электростанции. Основным конструктивным элементом этих установок являются солнечные панели на основе кремния или других полупроводниковых материалов. Их физические свойства позволяют получать электрический ток путем преобразования солнечной энергии. В настоящее время средняя производительность батарей составляет примерно 120 ватт с 1 квадратного метра солнечного элемента.
Стабильная работа фотоэлектрических преобразователей заявляется многими производителями, а срок службы, при соблюдении правил эксплуатации, ничем не ограничивается. В своей работе они используют энергию не только прямых, но и рассеянных солнечных лучей. Конструкции модульного типа дают возможность создать электроустановку с требуемой мощностью для конкретного объекта. Существенным недостатком таких устройств считается их довольно низкий КПД, составляющий в среднем 15%, и высокая стоимость комплектующих изделий.
Солнечные батареи могут быть дополнены следящим или фиксированным фотоприемником, с концентратором солнечных лучей или без него. Эти дополнительные устройства имеют свои конструктивные особенности, технические характеристики и обладают различной эффективностью. С целью повышения производительности установок рекомендуется использование концентраторов, увеличивающих плотность радиационного потока.
Эффективность фотоэлектрических станций повышается за счет систем слежения за движением солнца. Их применение позволяет сократить площадь фотоэлементов в 1,7 раза, сохраняя при этом первоначальную мощность.
В последнее время солнечные батареи становятся все более привлекательными для владельцев частного сектора. Их установка делает хозяев дач и загородных домов полностью независимыми от централизованного электроснабжения. Конструкция таких электростанций несложная и вполне может быть собрана самостоятельно.
Она состоит из следующих элементов:
- Солнечные панели – фотоэлектрические преобразователи. Их основой служит моно- или поликристаллический кремний. В первом случае КПД составляет 17-18%, во втором – не более 15%. Важнейшей характеристикой является полезная мощность, определяемая выходным током и напряжением. На эти параметры влияет интенсивность светового потока, улавливаемого батареей. Для увеличения выходных параметров применяются соединения модулей по параллельной и последовательной схеме. В первом случае возрастает выходной ток, во втором – выходное напряжение. Каждый элемент батареи шунтируется диодами, защищающими от выхода из строя в случае затемнения одного из них.
- Аккумулятор для солнечной электростанции, в котором изначально накапливается вся полученная энергия. Заряд батареи возможен лишь тогда, когда приложенный потенциал превышает напряжение аккумулятора. Величина нагрузочного тока АКБ должна обеспечивать необходимый зарядный ток. С наступлением темноты или уменьшением солнечного света днем, заряд начинает поступать к потребителям. То есть аккумулятор постоянно работает в режиме зарядки и разрядки.
- Контроллер обеспечивает управление циклическими процессами заряда-разряда. Он отключает батарею при полной зарядке и включает ее в случае сильного разряда.
- Инвертор для солнечной электростанции преобразует постоянное напряжение АКБ в переменный ток, обеспечивая работу потребителей, используемых в быту. Без инвертора питание подается лишь к приемникам, работающим от постоянного напряжения. Это мелкие портативные устройства, светодиодные лампы и т.д.
Плюсы и минусы солнечных электростанций
После рассмотрения различных типов установок, можно выделить общие преимущества солнечных электростанций:
- Работают на возобновляемых источниках энергии.
- Большинство СЭС могут действовать во многих местах земного шара с доступом к солнечному свету.
- Практически не наносят время окружающей среде.
- В СЭС отсутствуют движущиеся механизмы и узлы, используемые в большом количестве. Исключение составляют лишь приводы, регулирующие положение установки.
- Солнечные установки сохраняют свои достоинства и параметры не менее 25 лет. После этого отдельные показатели могут снизиться, но станция все равно будет работать.
- Существенные плюсы солнечных электростанций заключаются в возможности их использования в труднодоступных местах без централизованного электроснабжения.
- При необходимости может использоваться гибридная солнечная электростанция, сочетающая в себе детали, компоненты, параметры и технические характеристики нескольких типов электроустановок.
Рассматривая минусы солнечных электростанций следует остановится на некоторых недостатках:
- Сильная зависимость от погодных условий и времени суток.
- Необходимость в периодическом техническом обслуживании. Поверхности гелиопанелей должны своевременно очищаться от пыли и других загрязнений. Некоторым системам может потребоваться вентиляция или принудительное охлаждение.
- Недостатки солнечных электростанций заключаются в отрицательном влиянии на экосистему. Например, птицы, пролетающие над установкой, погибают мгновенно.
- Недостаточный КПД гелиопанелей, их сравнительно высокая стоимость, необходимость в дорогостоящем дополнительном оборудовании.
