Солнечные электростанции башенного типа

Альтернативный вариант состоит в использовании расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник, помещенный на вершине башни.

Концепция СЭС башенного типа была разработана в ЭНИИ им. Г.М. Кржижановского ещё в 50-е годы, однако её техническая реализация задержа-лась на два десятилетия. В конце 70-х годов к этой концепции почти одновре-менно обратились гелиоэнергетики ряда стран. К середине 80-х годов в Испа-нии, Италии, Франции, США и Японии уже действовали первые эксперимен-тальные СЭС башенного типа мощностью от 1 до 10 MBт.

Главные черты проектов подчинялись общему принципу: предваритель-ной концентрации солнечного излучения с помощью зеркальных оптических систем и дальнейшему теплосиловому преобразованию сконцентрированного излучения с использованием элементов оборудования тепловых электростанций.

Оптические системы СЭС состоят из однотипных, автономно ориенти-руемых зеркалгелиостатов. Принцип работы солнечной электростанции ба-шенного типа очень прост, однако потребуется решить немало трудных про-блем, чтобы себестоимость электроэнергии, производимой на этих станциях, была сопоставима со стоимостью энергии, вырабатываемой на ТЭС. Башня, на вершине которой укреплен приемник солнечной энергии, расположена на юж-ном краю поля гелиостатов – зеркал, совершающих поворот вслед за Солнцем вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Зеркала посылают отраженные солнечные лучи на теплоприемник; солнечная теплота используется для про-изводства высокотемпературного пара, который затем подается в турбоагре-гат, работающий по циклу Ренкина (рисунок 13.2).

Рисунок 13.2. Принцип работы солнечной электростанции

башенного типа

Определённую техническую сложность при создании первых СЭС пред-ставляла проблема управления системой гелиостатов. Главными в этом вопросе являются высокая надёжность и приемлемая стоимость автоматики при усло-вии обеспечения заданной точности. К гелиостатам предъявляются весьма строгие технические требования. Они должны выдерживать большие ветровые нагрузки; конструкция гелиостатов должна быть такой, чтобы им можно было придать любое положение – вертикальное (для защиты от повреждения гра-дом), горизонтальное (при сильном ветре), перевернутое (при песчаных бурях). Гелиостаты должны быть ориентированы на Солнце с точностью 0,1 и сле-дить за его положением на небе. Наконец, они должны экстренно отключаться при утечке теплоносителя.

Солнечные батареи

Фотоэлектрическая генерация энергииобусловлена пространственным разделе-нием положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения.

При наличии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник - полупроводник или металл - полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 200 А/м² при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт/м². Промышленные фотоэлементы имеют КПД от 10 до 20 % при среднесуточной облучённости [7].

Устройства, преобразующие солнечную радиацию в электрический ток, называются фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Солнечные элементы генерируют электрический ток в пря-мой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облучённости. Эффективность преобразования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней це-пи.

Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупро-водниковые фотодиоды. Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 году. Технология их изготовления быстро совершенствуется. В настоящее время сформировано общественное мнение, что солнечные элементы получили наибольшее распространение в космической отрасли. Однако это далеко не так,

и полупроводниковые солнечные элементы в ряде развитых стран широко ис-пользуются в промышленности и быту.

Полная стоимость солнечной батареи с 1974 по 1984 год упала со $ 100 до $ 4 на 1 Вт установленной мощности, и продолжается дальнейшее снижение цены. Однако, даже при полной стоимости элементов $ 4 за 1 Вт, при суточной облучённости 20 МДж/м² и долговечности фотоэлементов около 20 лет, стои-мость электроэнергии составляет примерно 16 центов (США) за 1 кВт ч. При такой стоимости электроэнергии солнечные батареи могут конкурировать с ди-зель-генераторными установками, особенно в отдалённых районах, где стои-мость доставки топлива и обслуживания достаточна высока.

Основная область применения солнечных батарей следующая:

1. осветительные системы,

2. системы водоснабжения,

3. удалённые станции радиосвязи,

4. маяки,

5. дорожные знаки,

6. космические аппараты.

Батарея солнечных элементов обычно представляет собой комбинацию соединённых параллельно модулей. Каждый модуль, в свою очередь, является комбинацией последовательно соединённых фотоэлементов. А каждый фотоэлемент состоит из параллельно соединённых поверхностных элементов. Максимальное падение напряжения на контактах открытой цепи модулей составляет примерно 15 В, а максимальный ток через модуль - около 1,5 А. Если одиниз элементов выйдет из строя или поверхность устройства будет неравномерно освещена вследствие различной степени концентрации света или наличия тени, тогда фотоэлемент будет работать в режиме диода с прямым или обратным смещением и при этом будет перегреваться. Для предотвращения лавинного пробоя параллельно каждой серии цепочек фотоэлементов необходимо устанавливать шунтирующие диоды. При правильной эксплуатации безаварийная работа солнечных промышленных элементов будет достаточно длительной, не менее 20 лет.

В настоящее время солнечные батареи выпускаются в виде жестких и гиб-ких панелей и находят все большее применение в быту и для освещения терри-торий.

Вопросы для самопроверки

1. Что явилось причинами бурного развития НВИЭ?

2. Охарактеризуйте состояние и перспективы использования НВНЭ в России.

3. Опишите конструкцию и принцип работы солнечных параболических кол-лекторов.

4. Что называют гелиостатами и какие требования к ним предъявляют?

5. Расскажите о принципе действия солнечной батареи. Где они нашли широкое применение?

ЛЕКЦИЯ 15

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

Человек начал использовать энергию ветра задолго до изобретения водя-ного колеса. Еще 4000 лет тому назад были известны установки для подачи во-ды, ветряные мельницы и парусные суда. Следует помнить, что первоначальный источник энергии ветра – это энергия солнечного излучения, так как основной причиной активных процессов перемещения воздушных масс является разная плотность нагретого и холодного воздуха.

Энергию ветра можно успешно использовать при скоростях более 5 м/с. На территории России эти условия существуют на побережье Каспийского и Черного морей, на озере Байкал, Камчатке, Сахалине, побережье Ледовитого океана. Здесь время использования ветроагрегатов доходит до 6000 часов в год.

Первая в мире ветроэнергетическая установка (ВЭУ) с диаметром рабочего колеса 30 м и мощностью 100 кВт была спроектирована и построена в Крыму в 1931 году. Непосредственное участие в разработке и строительстве первых ВЭУ принимал Ю.В. Кондратюк (настоящая фамилия А.И. Шаргей), очень талантливый человек сложной судьбы (им спроектирован и построен элеватор в городе Рубцовске). В СССР

широко применялись ветродвигатели с диаметром колеса до 18 м и мощностью до 30 кВт. Годовой выпуск ветроагрегатов в 1956 году достигал 9000 штук. Однако с развитием крупных энергетических систем, базирующихся на КЭС и АЭС, а также в связи с электрификацией села в 60-е годы исследования в области ветроэнергетики были прекращены.

Проблемы, препятствующие широкому распространению ветровых установок:

постоянно меняющаяся скорость ветра;

электрическая энергия начинает вырабатываться тогда, когда дует ветер, а

не тогда, когда она необходима, а аккумулировать электрическую энергию

в больших количествах человечество пока не умеет.

В отечественной ветроэнергетике наметились два пути развития:

1) создание крупных одноагрегатных ВЭУ;

2) сооружение многоагрегатных ВЭУ.

Второй вариант более экономичен, так как ВЭУ состоит из 10...15 установок единичной мощностью по 30 кВт. Это позволяет более эффективно сглаживать порывы воздушных течений за счет территориального рассредоточения отдельных агрегатов.

ВЭУ считаются экологически чистыми источниками энергии. Основывается такое утверждение на том, что они не дают вредных выбросов в атмосферу. Однако имеются и отрицательные воздействия.