2.7. Солнечные электростанции

Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05∙10¹⁸кВт∙ч. Из этого количества энергии 1,62∙10¹⁶кВт∙ч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2∙10¹²т условного топлива в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2 млрд. т у.т.)

По способу получения электрической энергии все солнечные электростанции (СЭС) можно разделить на две группы: тепловые СЭС и СЭС с непосредственным преобразованием солнечного излучения в электроэнергию.

В свою очередь тепловые СЭС делятся на станции с паротурбинным циклом и станции с двигателем Стирлинга. Недостатком солнечной энергии является ее рассеянность. Поэтому для работы станции необходимо обеспечить концентрацию солнечной энергии, для чего используются параболические зеркала желобкового или тарельчатого типа (рис. 2.34).

Параболические зеркала-лотки концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель (обычно масло). Эта жидкость нагревается почти до 400°C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогене-ратор 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.

СЭС башенного типа с центральным приемником (рис. 2.35) используют вращающееся поле отражателей-гелиостатов. 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 парогенератору. Температура на приемнике достигает 1482°C.

Тепловые схемы паротурбинных СЭС (рис. 2.36) практически не отличаются от схем тепловых электростанций на органическом или ядерном топливе. Особенность состоит в том, что СЭС размещаются в районах, где недостаточно воды, в том числе, в пустынях. Поэтому применяются замкнутые системы охлаждения с градирнями. Применяются также системы водородного охлаждения.

Другой проблемой является неравномерность поступления солнечной энергии (ночное время, облачность). Она решается путем аккумулирования солнечной энергии. Солнечная энергия может сохраняться при высокой температуре с помощью расплава солей. Используются экологически безопасные нитраты калия и натрия, расплавы которых обладают большой теплоемкостью и могут разогреваться до 550°C, не переходя в газообразное состояние. Раскаленные расплавы хранятся в специальных термосах, обеспечивающих их хранение в течение многих часов и последующее использование для выработки электроэнергии с КПД около 99%. В результате обеспечивается круглосуточная работа СЭС. Такие станции построены в Испании и Италии.

Солнечные установки тарельчатого типа представляют собой батарею параболических тарелочных зеркал, которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000°C и непосредственно применяется для производства электричества с помощью двигателя Стирлинга, соединенного с генератором. Двигатель Стирлинга, изобретенный еще в 1816 г., — это двигатель с внешним подводом тепловой энергии, преобразуемый в механическую работу.

Цикл Стирлинга (рис. 2.37) состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Полезная работа зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру (вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз. Вытеснительный поршень поднимается вверх, перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. В двигателе Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя.

КПД системы из параболического зеркала и двигателя Стирлинга достигает рекордного значения в 29%.

Сопоставляя технические характеристики тепловых СЭС, можно отметить следующее.

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.

Крупнейшими тепловыми СЭС в настоящее время являются станция мощностью 354 МВт в пустыне Мохаве (Калифорния, США), а также 6 станций мощностью от 100 до 150 МВт в Испании.

Непосредственное преобразование солнечного излучения в электроэнергию осуществляется с помощью фотоэлектрических (солнечных) элементов.

Фотоэлектрические СЭС в настоящее время получили весьма широкое распространение. Солнечная батарея (рис. 2.38) основана на явлении внешнего фотоэффекта, возникающего вpn-переходе при освещении его светом. При попадании на pn-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи.

КПД современных солнечных батарей достигает 13–15%. Наиболее перспективны тонкопленочные солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м²и 200 Вт/кг.

Как понятно из принципа действия батареи, она вырабатывает постоянный ток, величина которого зависит от интенсивности излучения. Это требует преобразования вырабатываемого тока в переменный ток промышленной частоты и необходимого напряжения, для чего используются инверторы и трансформаторы.

Несколько солнечных элементов соединяются в модули, которые, в свою очередь, соединяются между собой, образуя массивы, которые подключаются к инвертору. Мощные фотоэлектрические СЭС имеют в своем составе сотни тысяч солнечных модулей, а в некоторых случаях — более миллиона.

Крупнейшими фотоэлектрическими СЭС в мире на сегодняшний день являются станция Агуа-Кальенте (Калифорния, США) мощностью св. 200 МВт (в перспективе 397 МВт), Чаранка (Индия) мощностью 214 МВт, Голмуд (Китай), 200 МВт, Сарния (Канада), 97 МВт, Монтальто ди Кастро (Италия), 84,2 МВт, Охотниково (Крым, Украина), 80 МВт. В настоящее время осуществляется строительство мощных фотоэлектрических СЭС в Калифорнии (две станции мощностью 550 МВт, станция мощностью 500 МВт и другие). Только в 2011 г. в эксплуатацию были введены электростанции на основе солнечных батарей общей мощностью в 27,7 ГВт. Причем в шести регионах был преодолен рубеж в 1 ГВт. Это Италия, Германия, Китай, США, Франция и Япония.

Россия очень сильно отстает в области солнечной энергетики. В настоящее время суммарный объем введенных мощностей солнечной генерации в России, по разным оценкам, составляет не более 5 МВт. Большая часть установок приходится на домохозяйства. Наиболее крупным промышленным объектом является солнечная электростанция, которая была введена в эксплуатацию в 2010 г.году в Белгородской области, ее мощностьсоставляет100 кВт. Существуют проекты строительства СЭС в Ставропольском крае (12 МВт) и в Дагестане (10 МВт). Они находятся в стадии предварительной проработки. Кроме того, существует и ряд мелких проектов, которые компании-энтузиасты развивают, несмотря на отсутствие мер поддержки.