Как производственный цех перешел на даровую энергию солнца
В прошлом году я уже писал о солнечных электростанциях и это нашло отклик в сердцах читателей. На этот раз я хочу рассказать о более мощной солнечной электростанции, которая питает производственный цех. Одна только мощность солнечных панелей составляет 27 000 Вт!
Кому лень читать, могут посмотреть ролик, а любителям букв и картинок — под кат.
Начнем с того, что производство занимается распиловкой и кромлением ЛДСП. Строительство ангаров начиналось в чистом поле и электросети поначалу не было вообще. Поэтому был установлен дизельный генератор мощностью 30 кВт. Грелись печкой на твердом топливе, а генератор обеспечивал электроснабжение техники.
Довольно быстро собственник производства задумался о стоимости электричества, получаемого за счет генератора и пришел к мысли, что глупо не пользоваться даровой энергией солнца, благо все производство находится в Краснодарском крае, где солнца хоть отбавляй! Поэтому была поставлена задача сделать основным источником энергии солнечную электростанцию, а резервным — дизель-генератор.
Первым этапом шел просчет и представление нескольких проектов, из которых был выбран один. После этого было смонтировано и запущено оборудование. Монтаж производился непосредственно на сам ангар. Так как он представляет из себя полукруг, то выбрать оптимальный угол расположения панелей оказалось очень просто. Тут и солнца достаточно и снег не будет задерживаться. Кроме того, длина ангара позволит нарастить количество солнечных панелей, если потребуется больше энергии.
На данный момент установлено 100 панелей мощностью 270 Вт каждая. Выбраны поликристаллические панели, так как они обладают чуть меньшей стоимостью, что позволило снизить цену системы. Все-таки коммерческая эксплуатация подразумевает баланс цены-качества. Так как 27 кВт — это мощность нешуточная, тем более панели вырабатывают постоянный ток, было выбрано решение использовать сетевой инвертор, который поддерживает входное напряжение с панелей до 1000 Вольт. Получилось 4 блока солнечных батарей, соединенных последовательно по 25 штук. Рабочее напряжение поднялось до 930 В.
Для передачи напряжения от батарей до солнечного контроллера был использован стандартный провод с сечением 6 кв.мм, покрытие которого не боится ультрафиолета и различных погодных условий. Несмотря на то, что каждый блок солнечных панелей отдает почти 7 кВт, ток составляет 7-8 Ампер, то есть для данного сечения ток проходной и потери минимальны.
Вся энергия от солнечных панелей собирается устройством Sofar 30000TL. Это трехфазный сетевой инвертор, который оснащен сразу двумя MPPT контроллерами и может обработать до 33 кВт солнечной энергии. Плюс его в том, что он работает без аккумуляторов, а минус проистекает из плюсов — работать он может только имея опорную сеть три фазы 380 В. То есть если внешняя сеть отключится, он превратится в «тыкву», а солнечные панели в украшение.
Но данная система собрана с учетом этой особенности и является гибридно-сетевой. Для того, чтобы при исчезновении внешней сети, солнечная электростанция продолжила работу, имеется гибридный инвертор МикроАРТ МАП Dominator в трехфазном исполнении. 3 блока по 20 кВт могут работать автономно, используя энергию, запасенную в аккумуляторах. К ним я вернусь чуть позже, а сейчас расскажу об этих инверторах. Именно эти инверторы создают опорную сеть, когда внешнее питание пропадает. Они выдают чистую синусоиду, качают от аккумуляторов до 20 кВт на каждую фазу, но только в том случае, если не хватает солнечной энергии. Сетевой контроллер опирается на эту сеть и подкачивает максимум требуемой мощности от солнца. Но если солнца нет, то инверторы работают автономно. Когда аккумуляторы будут подходить к разряду, система сама запустить дизель-генератор, который будет питать производство, а инверторы в это же самое время начнут заряжать аккумуляторы.
Теперь перейду к аккумуляторам. Использованы панцирные тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы, произведенные в Тюмени. Каждая банка обладает емкостью 960А*ч и напряжением 2В. Собраны они в блоки по 48В, а суммарная емкость составляет 5760 А*ч! При максимальной мощности инверторов в 60 кВт и отсутствии солнца эти аккумуляторы могут дать энергии более чем на 4 часа автономной работы. Те, кто сталкивался со свинцово-кислотными аккумуляторами (почти у всех под капотом авто такой один, а то и два) знают, что со временем в них испаряется электролит и его необходимо пополнять. Чтобы избежать этого процесса в таких объемах, а это 156 банок, установлены пробки рекуперации водорода. Они видны на фото в виде белых цилиндров.
Внешняя сеть и автономная система коммутируется в отдельном ящике. Трехфазная сеть приходит на ГРЩ и оттуда поступает во внутреннюю сеть предприятия, откуда проходит через МАП Dominator и далее попадает к потребителям.
Чтобы мониторить текущее состояние энергосистемы, была задействована система Малина — это программно-аппаратный комплекс российских инверторов МАП. Он позволяет не только в реальном времени отслеживать всё происходящее с инвертором, но и отправлять оповещения по электронной почте или в виде смс. То есть отключилась внешняя сеть — пришло сообщение. Аккумуляторы подсели до определенного уровня — пришло еще сообщение. Сели аккумуляторы и автоматически запустился дизель-генератор — пришло сообщение. Например, я так узнаю, сидя на работе, что у меня в доме пропало электричество и сразу звоню энергетикам. И, зачастую, об этом я узнаю раньше них.
Есть у данной системы одна особенность. Обычно солнечная электростанция выстраивается следующим образом: солнечные панели -> солнечный контроллер -> аккумулятор -> инвертор. Так работает автономная система. В этом же случае, аккумуляторы не имеют прямого контакта с солнечным контроллером. Поэтому автономный режим реализуется следующим образом: солнечная энергия, собираемая солнечными панелями, попадает на MPPT контроллер сетевого инвертора. Сетевой инвертор Sofar подкачивает энергию в сеть. Инверторы МАП Dominator транслируют сквозь себя сетевое напряжение 380 В, а если в сети исчезнет 380 В, создают опорную сеть 380 В и если случается так, что аккумуляторы разряжены, начинают режим заряда аккумуляторов и при этом все равно создают опорную сеть. Объяснять получается сложнее, чем это работает на самом деле. Но вот так обошлось без отдельного солнечного контроллера, который бы заряжал аккумуляторы напрямую.
После установки солнечной электростанции, время работы дизель-генератора сократилось в 4 раза. После подключения внешней сети, генератор запускается на проверку раз в месяц и не работает на питание производства вообще. Выработка солнечной электростанции в апреле составила 3,5 МВт*ч, в мае потребление составило 2 МВт*ч, но лишь потому, что отключили электрокотел, то есть энергию тратить было некуда. Максимальная выработка в месяц должна составлять 5 МВт*ч, но пока производство растет и просто не потребляется весь доступный объем солнечной энергии.
Так как электричество для юридических лиц дороже, чем для физических, был произведен расчет срока окупаемости этой электростанции. Для данного объекта он составил 4 года, что для деятельности предприятия не так уж и много.
Кроме того, простой предприятия или выход станков из строя по причине внезапного отключения внешней электросети заметно дороже установленной солнечной электростанции.
Гибридно-сетевая электростанция, собранная из иностранных и российских компонентов, уже начала оправдывать свою стоимость. Через 4 года после установки собственник окупит ее полностью. А если примут закон о возможности продажи выработанной энергии от малых солнечных электростанций в сеть (частным или юридическим лицам), то собственник просто начнет отдавать излишки энергии и зарабатывать на этом. Мониторинг при помощи ПАК «Малина» позволяет удаленно отслеживать все происходящее и быть в курсе ситуации с энергосистемой производства. Ну а надежность солнечных электростанций и минимальное техобслуживание делают владение такой системой крайне простой.
В следующий раз я расскажу о солнечной электростанции мощностью 120 кВт!
- : солнечные батареи
- солнечная электростанция
- сетевой инвертор
- МАП
- Микроарт
- солнечные панели
- Малина
- Доминатор
- Гаджеты
- Энергия и элементы питания
- Медгаджеты
- Экология
- Будущее здесь
3.5. Солнечные электростанции промышленного производства
В солнечных электростанциях башенного типа для преобразования в электроэнергию солнечного света используется вращающееся поле отражателей — гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Каждое зеркало управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи всегда были направлены на приемник (http://howitworks.iknowit.ru/paperl185.html).
Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C (рис. 3.20).
Рис. 3.20. Солнечная электростанция башенного типа
Недостатком любой солнечной станции является падение ее выдаваемой мощности в случае появления облаков на небе, и полное прекращение работы в ночное время. Для решения этой проблемы предложено использования в качестве теплоносителя не воду, а соли с большей теплоемкостью. Расплавленная Солнцем соль концентрируется в хранилище, построенного в виде большого термоса, и может использоваться для превращения воды в пар еще продолжительное время после того, как Солнце скроется за горизонтом.
Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65 %. При такой конструкции расплавленная соль закачивается из «холодного» бака при температуре 288 °C и проходит через приемник, где нагревается до 565 °C, 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. На рис. 3.21 показана схема работы солнечной электростанции на расплавленных солях.
Рис. 3.21. Солнечная электростанция на расплавленных солях
Солнечная электростанция тарельчатого типа
СЭС тарельчатого типа представляют собой батарею тарелочных параболических зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), 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 в небольшом двигатель-генераторе, соединенном с приемником (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Солнечная электростанция тарельчатого типа
Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал-двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. На этих установках удалось добиться практического КПД 29 %. Такие системы представляют собой оптимальный вариант как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном диапазоне), тарельчатого типа предприятии (http://portal.tpu.ru:7777/).
Рис. 3.23. Схема параболического концентратора
Солнечные электростанции, использующие параболические концентраторы
Параболоцилиндрические установки — на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Схема параболоцилиндиреской установки показана на рис. 3.23.
Солнечные пруды. Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 3.24).
Рис. 3.24. Солнечный пруд
Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности (http://www.energy-bio.ru/suncolll2.htm).
Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности.
Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество.
Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 °C в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт-ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки.
Аэростатные солнечные электростанции
Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является проблема выбора места для размещения солнечных электростанций.
Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/м 2 . Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности порядка миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия порядка 10 % и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров (http://www.t3000.ru).
Площадка для размещения приемников солнечного излучения должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта оборудования, свободной от хозяйственной деятельности человека.
Найти подходящую площадку, удовлетворяющую этим требованиям, чрезвычайно сложно даже в пустынях Австралии и Северной Африки, не говоря уже о густонаселенных странах Европы и Азии.
Идеальным решением этой проблемы является размещение солнечных электростанций на поверхности морей и океанов, площадь которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традиционные солнечные электростанции не пригодны для морского базирования.
Ситуация коренным образом изменилась после изобретения солнечных аэростатных электростанций («Энергия», № 4, 2005). Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции приведена на рис. 3.25.
Рис 3.25. Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции
Принцип работы солнечной аэростатной электростанции с паровой турбиной заключается в поглощении поверхностью баллона аэростата солнечного излучения и нагрева за счет этого водяного пара, находящегося внутри баллона. Современные селективные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых неконцентрированных солнечных лучей до 200 °C и более.
Оболочка баллона выполнена двухслойной. Внешняя оболочка является прозрачной и пропускает солнечное излучение. Внутренняя оболочка покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150–180 °C.
Слой воздуха между оболочками является теплоизолятором, уменьшающим потери тепла в атмосферу.
Температура пара внутри баллона составляет 130–150 °C. Давление внутри баллона равно атмосферному давлению.
Из баллона пар по гибкому паропроводу подается на паровую турбину, и после турбины конденсируется в конденсаторе. Из конденсатора вода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.
Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток.
Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10–20 %, что не влияет на положении аэростата. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.
Мощность турбогенератора можно совершенно безболезненно изменять в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.
При атмосферном давлении плотность наружного воздуха равна 1,3 кг/м 3 , а плотность водяного пара внутри баллона равна 0,6 кг/м 3 . Таким образом, подъемная сила одного кубического метра баллона составляет 0,7 кг/м 3 .
Аэростатная электростанция типа СА
В настоящее время разработана серия солнечных аэростатных электростанций типа СА среднесуточной номинальной мощностью 300–450 кВт, 1200–1800 кВт и 2700–4000 кВт (мощность меняется в зависимости от времени года). Рассмотрим СА-200.
Технические характеристики электростанции СА-200:
♦ внутренний диаметр баллона, м… 200;
♦ среднесуточная номинальная мощность при 8-часовом суточном солнечном освещении, кВт… 1200;
♦ среднесуточная номинальная мощность при 12—часовом суточном солнечном освещении, кВт…1800;
♦ масса баллона, т…120;
♦ подъемная сила баллона, т… 280;
♦ температура пара на входе в турбину, °С… 120;
♦ термический КПД электростанции… 0,13.
Прозрачная оболочка выполнена из полиэстровой пленки (рис. 3.26). Полиэстровая пленка отличается высокой прозрачностью, прочностью, долговечностью и не мутнеет в течение всего срока эксплуатации установки. Для поглощающего слоя используется селективное покрытие, коэффициент поглощения которого в солнечном спектре составляет 0,95, а коэффициент собственного излучения при рабочей температуре покрытия 0,03.
Рис. 3.26. Солнечная аэростатная электростанция СА-200
а — конструкция; б — внешний вид
Поглощающее покрытие представляет собой систему каналов и клапанов, по которой с помощью газодувки мощностью 50 кВт прокачивается водяной пар.
Работа системы клапанов организована таким образом, что пар движется только по каналам, освещенным солнцем.
Внутренняя часть баллона изолирована от атмосферного воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией толщиной 1 метр.
Многослойная пленочная теплоизоляция при малой массе обладает высокой теплоизолирующей способностью. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10 % за сутки. Таким образом, многослойная оболочка баллона является термическим полупроводником, который «закачивает» тепловую энергию внутрь баллона.
Пленочные конструкции раскреплены к каркасу из капроновых канатов. Конструкция рассчитана на ураганный ветер скоростью до 50 м/с. Солнечные аэростатные электростанции серии СА предназначены для размещения в районах с количеством солнечных дней в году не менее трехсот. Это район Средиземного моря, Северная Африка, Ближний и Средний Восток, Средняя Азия, район Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия и другие подобные регионы.
Однако наиболее перспективным представляется морское базирование подобных электростанций. В этом случае открывается возможность полного энергообеспечения многих стран исключительно за счет солнечной энергии.
Неплохие перспективы в этом случае открываются и для России. Использование в Каспийском и Черном морях площади 20 000 квадратных километров для размещения солнечных электростанций позволит полностью покрыть потребности европейской части России в электроэнергии.
Тепловые солнечные электростанции
Было бы ошибочным полагать, что солнечное электричество можно получать только прямым преобразованием солнечного света с помощью фотоэлектрических панелей. Конечно, это очень заманчиво – без каких-либо промежуточных элементов и механизмов сразу получать электрический ток, который генерируют солнечные батареи. Тем более, что современные технологии изготовления этих батарей позволяют получать коэффициент полезного действия до двадцати процентов. На этой элементной базе строятся мощнейшие электростанции. Так, например, в США, в Калифорнии, работают сразу три станции мощностью более 550 мегаватт каждая.
Солнечная электростанция Topaz в Калифорнии. Мощность 550 мегаватт
В Северной Сахаре, на территории Туниса, в рамках проекта Desertec Industrial Initiative планируется возвести гигантский комплекс солнечных электростанций комбинированного типа общей мощностью в несколько гигаватт. Эти электростанции должны обеспечить до 15 процентов потребности Европы в электроэнергии.
Причем электричество в Европу должно будет передаваться по подводному Средиземноморскому кабелю сверхвысокого напряжения. Мощные фотоэлектрические станции построены на юге Испании. Сейчас повсеместно изыскиваются возможности для возведения систем альтернативной энергетики, экологически чистой, с максимально возможной полезной отдачей.
Проект Desertec Industrial Initiative
Кроме гелиевых установок, работающих на фотоэлементах, широкое распространение получили тепловые электростанции, использующие энергию солнечного излучения. Солнечные лучи, собранные в единый пучок, являются тем источником тепла, от которого работают гелиевые тепловые энергетические установки всех типов. Принципы работы этих электростанций различны, но всех их объединяет одна общая черта – абсолютно экологически чистое производство электроэнергии.
Башенные солнечные тепловые электростанции
Эти электростанции называются так потому, что в центре их установлена энергетическая башня, высота которой может достигать тридцати метров. В этой башне, в ее верхней точке, расположен резервуар с водой. Для того чтобы обеспечить максимальное поглощение тепловой энергии солнца, этот резервуар покрывается черной термостойкой краской. Сам резервуар выполняется из жаропрочного металла. Ниже резервуара располагается система насосов, которая подает вырабатываемый пар на турбины.
Башенная солнечная электростанция в Испании
Вокруг башни концентрическими кругами расположены так называемые гелиостаты – зеркала. Одно такое зеркало имеет отражательную поверхность в несколько квадратных метров. Каждое зеркало закреплено на отдельной опоре с поворотным механизмом. Поворотные механизмы всех гелиостатов синхронизированы и управляются общим командным боком. Это самая сложная часть электростанции. Сложная потому, что она должна обеспечить точное позиционирование на солнце всех без исключения зеркал с таким расчетом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно попадали точно на установленную в башне емкость с водой.
Башенная электростанция близ Севильи (Испания)
В безоблачный солнечный день резервуар прогревается так, что температура внутри его поднимается до 700°С. Перегретый пар подается насосами на турбины, которые вращают генераторы, вырабатывающие электрический ток. Поскольку режимы работы гелиевой тепловой установки и температурный диапазон мало чем отличаются от аналогичных показателей обычных ТЭС, то в них применяются стандартные турбогенераторы, выпускаемые серийно. При этом солнечные электростанции дают на выходе более высокую мощность и показывают достаточно высокий КПД – до 20%.
Тарельчатые солнечные электростанции
Принципиально эти солнечные тепловые электростанции мало чем отличаются от электростанций башенных. Тот же отражатель, тот же приемник – резервуар с водой. Отличия заключаются в конструкции станции. Такая установка строится по модульному принципу. Чем больше модулей, тем больше мощность.
Каждый модуль представляет собой опору, на которой устанавливается одно или несколько зеркал, выполненных в форме тарелки (поэтому и название – «тарельчатая»).
Диаметр каждого зеркала не превышает двух метров. Количество зеркал в модуле зависит от того, на какую мощность рассчитана станция, и может быть от одного до нескольких десятков. Каждый модуль оборудован индивидуальной системой позиционирования на солнце. Эти системы позиционирования управляются с общего следящего устройства.
Тарельчатая солнечная электростанция
В зависимости от конструкции, в таком модуле может быть один приемник, общий для всех зеркал. В этом случае все зеркала должны быть тщательным образом отъюстированы так, чтобы их фокусы сходились в одной точке. Другой вариант – каждое зеркало имеет свой собственный приемник, располагающийся в фокусе этого зеркала. Этот приемник и в первом, и во втором случае представляет собой резервуар с жидкостью. Отличие только в размерах. Температура жидкости в приемнике может достигать 1000°С.
Тарельчатая электростанция Hubert Klein (Германия)
Приемник соединяется с небольшим турбогенератором, который вырабатывает электроэнергию. Для автономного электроснабжения небольшого коттеджа, дачи, подсобного хозяйства, даже нескольких небольших домов вполне достаточно одного такого модуля. Для использования этого типа электростанций в промышленных масштабах в общую сеть включаются сотни, тысячи таких модулей, что позволяет получать мощность, достаточную, чтобы обеспечить электричеством промышленные предприятия, небольшие населенные пункты.
Солнечные электростанции на параболоцилиндрических концентраторах
Если башенные и тарельчатые солнечные тепловые электростанции относятся к одноконтурным установкам (пар из приемников поступает непосредственно на турбогенераторы), то электростанции на параболоцилиндрических концентраторах относятся к разряду двухконтурных. В электростанциях этого типа рабочим является теплоноситель, который затем отдает свое тепло парообразующей среде.
Конструктивно эти электростанции выполнены следующим образом. На бетонных или металлических опорах установлены сотни, тысячи параболоцилиндрических зеркал, имеющих в длину десятки, а то и сотни метров. Ориентированы эти параболоиды таким образом, чтобы принимать максимально возможную энергию солнечного излучения. В фокусе этих парабол устанавливается трубка со светопоглощающим покрытием, по которой циркулирует теплоноситель.
Параболоцилиндрическая солнечная электростанция в Калифорнии
Чаще всего в качестве теплоносителя используется масло. Этот теплоноситель, проходя весь длинный путь по зоне нагрева в параболоидах, поступает в теплообменник. Температура теплоносителя настолько высока, что вода в теплообменнике очень быстро превращается в пар, который затем поступает в турбогенератор. А электричество, вырабатываемое турбогенератором, уже вливается в общую сеть.
Солнечные электростанции на двигателях Стирлинга
В последнее время вторую жизнь обрели двигатели Стирлинга. Запатентованные еще в 1816 году, эти двигатели сейчас получают самое широкое распространение. Экологически чистые, без каких-либо выбросов в атмосферу, работающие практически бесшумно и от любых внешних источников тепла, они поставлены сейчас на службу в солнечных тепловых электростанциях.
Гелиевые установки, созданные на базе двигателей Стирлинга, строятся по модульному принципу, так же, как и тарельчатые электростанции. Только в этом случае вместо приемников с жидкостью в фокусе параболических зеркал устанавливаются двигатели Стирлинга.
Модуль электростанции на базе двигателей Стирлинга
Для использования этих двигателей в качестве одного из основных компонентов электростанции потребовалось их усовершенствование. После соответствующих модернизаций стало возможным преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня в электричество без промежуточных кривошипно-шатунных механизмов. Тем самым была достигнута очень высокая эффективность тепловой солнечной электростанции. В некоторых случаях этот показатель эффективности превышал 31%.
Комбинированные солнечные электростанции
Несмотря на достаточно высокую эффективность гелиевых тепловых установок, конструкторы с сожалением были вынуждены констатировать, что значительная часть световой и тепловой энергии на этих станциях теряется впустую. Чтобы в какой-то мере компенсировать потери, на этих электростанциях устанавливают дополнительное оборудование, например, теплообменники, которые могут снабжать потребителей горячей водой. Кроме того, параллельно концентраторам могут быть установлены также солнечные батареи, что позволяет получить дополнительные электрические мощности.
Гелиоэнергетика быстрыми темпами входит в нашу повседневную жизнь. Конечно, солнечные электростанции не могут пока заменить традиционные энергетические установки. Но помочь уменьшить вредное воздействие на окружающую среду – это солнечным электростанциям вполне под силу.
Солнечные электростанции (СЭС)
Солнечная энергетика. Солнечная электростанция. Принцип работы современных солнечных электростанций. Первые опыты использования солнечной энергии. Башенные и модульные электростанции
Солнечная энергетика
Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
Солнечная электростанция
Солнечная электростанция — инженерное сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.
Принцип работы современных солнечных электростанций
Принцип работы современных солнечных электростанций (СЭС) основан на сборе сконцентрированной солнечной энергии при помощи зеркал и отражении солнечных лучей на приемники, которые собирают солнечную энергию и преобразуют его в тепло. Эта тепловая энергия может быть использована для производства электроэнергии с помощью паровой турбины или теплового двигателя, который приводит в действие генератор.
Рис.1. Принцип действия солнечной электростанции
Получение электроэнергии от солнца давно применяется во всем мире. Главной задачей ученых на данный момент является необходимость так усовершенствовать имеющиеся технологии, чтобы как можно больше увеличить их КПД.
Производство электроэнергии из солнечной энергии — тема очень актуальная и интересная для многих государств в сегодняшнее время. Малые солнечные электростанции могут обеспечить электроэнергией дома, предприятия, общественные здания и сохранят богатство глубинных недр земли. Большие солнечные энергетические системы способны вырабатывать неограниченное число электроэнергии и способствовать развитию электроэнергетической отрасли в мировом масштабе.
Фотоэлектрические элементы, названные в ученой среде как солнечные элементы, являются устройствами из полупроводниковых материалов и служат для выработки электричества. Фотоэлектрические элементы бывают разных размеров, объемов и форм. Их чаще всего объединяют между собой в фотоэлектрические модули, а модули — соединяют в фотоэлектрические батареи.
Фотоэлектрические (PV) элементы, фотомодули и устройства преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Понятие фотогальваники или выработки тока из солнечной энергии, можно в буквальном смысле охарактеризовать, как свет и электричество.
Впервые это понятие упоминалось примерно в 1890 году, как «photovoltaic» — фотоэлектрический (фотогальванический) и имело две составляющие: фото, происходит от греческого слова свет и напряжения, связанного с именем пионера Алессандро Вольта в области электричества. Фотоэлектрические материалы и устройства преобразующие энергию света в электрическую энергию, были открыты известным французским физиком Эдмоном Беккерелем еще в 1839 году.
Беккерель смог открыть процесс использования солнечного света для получения электрического тока при помощи твердого материала. Но потребовалось, чтобы прошло больше полувека, чтобы ученые по-настоящему смогли понять этот процесс и узнать, что фотоэлектрический или фотогальванический эффект вызывают только определенные материалы способные преобразовывать энергию света в электрическую энергию на атомном уровне.
Сегодня фотоэлектрические системы стали важной частью нашей повседневной жизни. Мини солнечные электростанции применяются для обеспечения питания у мелких приборов и приспособлений используемых в быту, таких как, калькуляторы, наручные часы или зарядное устройство для сотового телефона. Более сложные — применяются для спутников связи, водяных насосов, уличного освещения, работы бытовых приборов и машин в некоторых домах и на рабочих местах. Многие дороги и дорожные знаки, также теперь работает с помощью фотоэлектрических элементов или модулей.
Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: “Исследования мировых пространств реактивными приборами”. Он писал: “Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле”.
Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах расположенных как можно ближе к экватору с большим количеством солнечных дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов.
Первые опыты использования солнечной энергии
В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8* 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м 2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885г. Была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.
Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.
В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 С.
Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество
Солнце — гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2*10 30 кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 % гелия и 0,1% азота. Средняя плотность вещества Солнца равна 1400 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.
Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212г. н.э. с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде Приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса римского флота.
Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.
Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы солнечных электростанций (СЭС) требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.
Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника сконцентрированной солнечной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).
Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны.
На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн.км 2 (площадь Сахары 7 млн. км 2 ) за год поступает около 5*10 16 кВт*ч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления.
Башенные и модульные электростанции
В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции (СЭС) башенного типа и солнечные электростанции (СЭС) распределенного (модульного) типа.
Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.
В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 С, воздух и другие газы — до 1000 С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) — до 100 С, жидкометаллические теплоносители — до 800 С.
Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечных электростанциях мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт — всего 50 га.
Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250м.
В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.
При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны чем башенные. В солнечных электростанциях (СЭС) модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.
В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн.км2 на суше и 18 млн.км2 в океане.
ПОДМЕНЮ СЭС
- СЭС
- Виды СЭС
- Типы СЭС
- Плюсы и минусы СЭС
- Фотоэлементы
- Солнечные элементы
- Аэростатные СЭС
- Мобильные СЭС
- Солнечная энергетика
- Солнечная термальная энергетика
- Обзор технологий СЭС
- Развитие электроустановок СЭС
- Техника солнечной энергии
- Оптические системы СЭС
- Тепловые схемы СЭС
- Комбинированные СЭС
- Теплоаккумулирование на СЭС
- Использование энергии Солнца
- Существующие гелиоустановки
- Преобразователи солнечной энергии
- Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)
- Гелиоэлектростанции
- Солнечный коллектор
- Химические преобразователи солнечной энергии
- Космические солнечные электростанции
- Автомобиль на солнечных батареях
- Солнечная энергетика в России и на Украине
- Изобретения, основанные на солнечной энергии
- Плюсы и минусы солнечной энергетики
- Солнце и солнечная энергия
- Использование солнечной энергии
- Солнечные полупроводники