4.3.3 Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию

Методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую основаны на циклах тепловых двигателей. Солнечная энергия преобразовывается в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), которые имеют оборудование предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуются аккумулятор теплоты и система автоматического управления.

Улавливание и преобразование солнечной энергии происходит с помощью оптической системы отражателей (гелиостатов) и приемника сконцентрированной солнечной энергии, которая используется для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

В настоящее время в основном строятся солнечные тепловые электростанции двух типов: башенного и распределенного (модульного).

В башенных СЭС используются центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим высокую концентрацию солнечного излучения (рис. 2.8).

Схема устройства солнечной станции башенного типа

Концентраторы солнечного излучения имеют различную форму (рис. 2.9).

Небольшую степень концентрации (порядка 100) можно получить при использовании отражающих поверхностей, концентрирующих энергию при любом направлении прихода солнечных лучей. В этом случае слежение за Солнцем происходит с помощью упрощенной системы управления. Такими устройствами являются параболоцилиндрические отражатели, ось которых горизонтальна или перпендикулярна плоскости движения Солнца.

Управление такой установкой осуществляется в соответствии с изменениями положения Солнца на небосводе в течение дня. Средней степени концентрации (порядка 1000) можно достичь при использовании фокусирующих гелиостатов, управляемых по двум вращательным степеням свободы. Таким гелиостатом может быть зеркало в форме параболоида вращения, ось которого ориентируется на Солнце. Высокая степень концентрации осуществляется оптической системой, которая включает плоские и параболоидные концентраторы. Эта система позволяет достичь очень высоких температур. Управление системой гелиостатов осуществляется с помощью компьютера.

Сконцентрированное солнечное излучение поглощается поверхностью приемника и превращается в тепло. Для снижения потерь тепла, связанных с излучением нагретого приемника, его поверхность покрывают тонкой пленкой из селективно поглощающих материалов. Это позволяет значительно повысить КПД установки.

В качестве рабочего тела в тепловом двигателе (турбине) обычно используется водяной пар с температурой до 550 С, который образуется в приемнике – парогенераторе. Можно также использовать воздух и другие газы, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны), жидкометаллические теплоносители.

Основными недостатками башенных СЭС является высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечной электростанции мощностью 100 МВт требуется площадь 200 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны. Оптимальная мощность СЭС равна 100 МВт, а высота башни 250 м [5].

В 70-х годах XX века в мире было построено несколько станций данного типа. Крупнейшей является СЭС «Солнце-1» мощностью 10 МВт (в пиковом режиме), занимающая площадь 52 га в пустыне Мохаве (шт. Калифорния). Каждый из гелиостатов имеет по 12 граней длиной 7 м. Они следят за Солнцем и концентрируют его лучи на вершине башни высотой 95 м, где расположен приемник-парогенератор. Пар с температурой 510 С приводит в действие турбогенератор расположенный на земле. СЭС имеет тепловой аккумулятор емкостью 3785 м³. Часть пара используется для нагревания нефти, циркулирующей в аккумуляторе, и передающий тепло гравию. За счет запасенного тепла можно вырабатывать пар в течении 4 часов.

Около десятка экспериментальных СЭС запущено в действие или строится во Франции, Японии, Германии, Испании и США.

Более перспективными являются солнечные электростанции с распределенным приемником энергии. На этих станциях концентраторы представляют собой группу параболоцилиндрических отражателей, которые вращаются вокруг одной оси и имеют трубчатые приемники, совмещенные с фокальной линией (рис. 2.10).

Вращение вокруг одной оси существенно уменьшаем стоимость концентратора. Причем количество получаемой энергии только на 5 % ниже энергии полученной при использовании системы слежения за Солнцем с двумя осями вращения.

Так как трубчатый приемник распложен вблизи отражателя, то фокусировка солнечного излучения может производиться с меньшей точностью. Это снижает стоимость коллектора, в состав которого входят концентратор, опорные конструкции и система слежения за Солнцем.

Первая СЭС такого типа мощностью 12,5 МВт построена в 1985 г. в США в калифорнийской пустыне Мохаве. Она занимает площадь 340 га. Компьютерная система ориентирует 540 тыс. параболоцилиндрических концентраторов таким образом, чтобы они постоянно поворачивались за солнцем. Концентраторы фокусируют солнечное излучение на трубах из нержавеющей стали имеющих селективное покрытие. Внутри трубок циркулирует синтетическое масло, которое нагревается до температуры 390 С. Для снижения теплопотерь конвекцией металлические трубки помещают внутрь стеклянных, а между ними создается вакуум. Нагретое масло поступает в теплообменник, где превращает воду в пар, который приводит в действие турбогенератор. На этой СЭС, в случае необходимости, предусмотрена выработка электроэнергии традиционными методами. В качестве топлива используется природный газ [5].

Солнечные электростанции могут обеспечивать дополнительную выработку электроэнергии при пиковых нагрузках. При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны, чем башенные.

По прогнозам в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км² на суше и 18 млн. км² в океане.