1. Сонячні електростанції баштового типу

Дані електростанції засновані на принципі отримання водяної пари з допомогою сонячної радіації. У центрі станції стоїть вежа заввишки від 18 до 24 метрів (залежно від потужності та інших параметрів висота може більше або менше) , на вершині якої резервуар із водою. Цей резервуар покритий чорним кольором для поглинання теплового випромінювання. Також у цієї вежі перебуває насосна група , що доставляє пару на турбогенератор , які перебувають поза вежею. По колу від вежі на деякій відстані розташовуються геліостати. Геліостат - дзеркало площею кілька кв. метрів , закріплене на опорі і підключене до спільної системи позиціонування. Тобто , залежно від становища сонця , дзеркало змінюватиме свою орієнтацію у просторі. Основне та трудомістке завдання - це позиціонування всіх дзеркал станції так щоб будь-якої миті часу усі відбиті промені від нього потрапили на резервуар. У ясну сонячну днину температура в резервуарі може становити 700 градусів. Такі температурні параметри використовуються у більшості традиційних теплових електростанцій , для отримання енергії використовуються стандартні турбіни. Фактично на станціях подібного типу можна отримати порівняно великий ККД (близько 20 %) і високі потужності.

На сьогоднішній час в різних країнах задіяно 7 експериментальних СЕС електричною потужністю від 0,5 до 10 МВт. Найбільшими проектами є СЕС Solar-1 в Барстоу (Каліфорнія , США) потужністю 10 МВт і вітчизняна СЕС-5 (в 1985 р. приведений в дію пусковий комплекс). Розглянемо деякі із них.

СЕС Solar-1

Організацію будівництва здійснювало міністерство енергетики США з участю компанії Southern California Edison (США) і департаменту водопостачання і енергетики Лос-Анджелеса. Будівельно-монтажні роботи були завершені в жовтні 1981 р. , а 14 квітня 1982 р. станція була приведена в дію.

Першопочаткове її будівництво оцінювалось в 120 млн доларів , кінцева вартість її спорудження становила 141 млн доларів. Solar-1 має номінальну потужність 10 МВт і побудована за схемою СЕС баштового типу. Башта висотою 91 м з приймачем сонячного випромінювання оточена полем геліостатів. Загальний вигляд Solar-1 приведений на рис. 1.

Рис. 1. Загальний вигляд Solar-1.

Площадка Solar-1 займає земельну ділянку площею 0,31 км² у формі еліпса з осями 685 і 585 м. Безпосередньо під геліостати відведена ділянка площею 0,28 км². Площа приблизно 0,03 км² зайнята будівлями і технологічним обладнанням , розташованим біля основи башти , а також транспортними шляхами , прокладеними на полі геліостатів.

Дзеркальна система Solar-1 складається з 1818 геліостатів загальною площею 73,2 тис. м². Середній коефіцієнт заповнення земельної ділянки дзеркалами складає k_зап=0,26.

Для розміщення геліостатів прийнята радіально-кругова шахова компановочна схема. Ця схема була визнана оптимальною після довгого циклу розрахункових досліджень , проведених в університеті м. Хьюстона в 1973-1980 рр. Кожний геліостат виробництва фірми Martin Marietta Aerospace (США) складається з 12 дзеркальних фацет з високою відбивальною здатністю ρ=0,90.

Приймач станції має форму циліндричної мішені висотою 13 , діаметром 7,2 м і площею опромінених панелей 294 м². Температура його поверхні досягає 520 °С.

СЕС-5

Перша вітчизняна експериментальна сонячна електростанція СЕС-5 розташована в Криму поблизу с. Щолкіно. Комплекс науково-технічних і конструкторських робіт , проектування і будівництво СЕС-5 здійснювались організаціями Міненерго СРСР. В 1985 р. задіяний пусковий комплекс станції. Вартість технологічних споруджень станції разом з розробкою і виготовленням обладнання складає 26 млн руб. Максимальна електрична потужність СЕС-5 дорівнює 5 МВт, розрахункова середньоексплуатаційна за год приблизно 3,5 МВт.

Загальний вигляд СЕС-5 приведений на рис. 2.

Рис. 2. Загальний вигляд СЕС-5.

Оптична система СЕС-5 представляє собою кругове кільцеве поле геліостатів з внутрішнім і зовнішнім радіусами кільця 79 і 213 м відповідно. В кільцевому полі

розміщено 1600 геліостатів сумарною площею 40 тис. м². Геліостати згруповані в 20 кільцевих кругових рядів з перемінним кроком по радіусу між рядами. Розміщення геліостатів в сусідніх рядах шахове. Середній коефіцієнт заповнення земельної ділянки дзеркалами k_зап=0,32. Ділянка землі , відведена під геліостати , має площу 0,12 км². Загальна площа забудови складає 0,15 км².

Проектування СЕС-5 так же , як і проектування ряду зарубіжних експериментальних СЕС , велось паралельно з розробкою обґрунтувань майбутніх промислових СЕС. Для СЕС-5 такою перспективою являється проект СЕС-200 (пізніше СЕС-320) , розрахований на умови Криму. СЕС-5 розроблялася як модель одного із чотирьох модулів 50 МВт станції СЕС-200.

При підготовці цих проектів в 1977-1981 рр. проводилось математичне моделювання роботи дзеркальних систем СЕС , розглядалися різноманітні форми дзеркального поля і структури розміщення геліостатів.

Оптимальною , як і в дослідженнях зарубіжних авторів , визнана радіально-кругова шахова компоновка зі змінним радіальним кроком між концентричними рядами. Відмінність оптичної системи СЕС-5 від Solar-1 полягає в тому , що глобальна форма поля представляє собою правильне кругове кільце , а не еліпс.

Розрахунок дзеркального поля СЕС-5 проведений ЭНИНом і НПО « Солнце » АН ТССР. Конструкція геліостатів СЕС-5 , які складаються із 45 дзеркальних фацет і мають площу 25,5 м² , розроблена Проектно-конструкторським бюро Главэнергостроймеханизации і виготовлена Чеховським оптичним заводом Гідростальконструкція Міненерго СРСР з участю заводів Мінстанкопрому і Мінхіммашу. Відбивальна здатність дзеркал складає 0,71.

Башта з приймачем розташована в геометричному центрі кільцевого поля дзеркал. Висота башти складає 89 м. Приймальна поверхня у вигляді циліндра висотою 7 м і діаметром 7 м розміщена між відмітками висот 71 і 78 м. Номінальна температура теплоносія в приймачі 250 °С.

СЕС THEMIS

Будівництво експериментальної СЕС THEMIS організовано Electricite de France і Національним центром наукових досліджень. Будівництво велось з 1979 р. і обійшлось в 128 млн фр. , пуск станції відбувся в 1982 р.

СЕС THEMIS розрахована на номінальну електричну потужність 2,5 МВт. Загальний вигляд THEMIS представлений на рис. 3.

Рис. 3. Загальний вигляд СЕС THEMIS.

Дзеркальне поле складається з 201 геліостата загальною площею 10,8 тис м² , розташоване на ділянці землі в 0,07 км². На відміну від усіх інших експериментальних проектів СЕС THEMIS розташована не на плоскій площадці , а на південному склоні , яким має нахил 15° до горизонту. Геліостати THEMIS розроблені фірмою Cethel (Франція) , мають площу 53,7м² і відбивальну здатність 0,90.

Приймач станції порожнинного типу з квадратним вхідним отвором 4 м х 4 м і глибиною 3,5 м розташований на відмітці 80 м башти загальною висотою 101,5 м. Плоскість вхідного отвору приймача нахилена на 30° від вертикалі в сторону дзеркального поля. Температура поверхні опромінених поверхонь приймача досягає 505 °С. В якості теплоносія використовують розплавлені солі.

СЕС Eurelios

СЕС Eurelios побудована поблизу Адрано на о. Сицилія (Італія). В її будівництві брали участь фірми Франції , Італії і ФРН під керівництвом комісії Європейського економічного товариства. Вартість будівництва – 11 млн доларів. Станція введена в травні 1981 р.

Електрична потужність СЕС Eurelios 1 МВт. Дзеркальне поле цієї станції

(рис. 4) має секторну форму і складається із геліостатів двох типів. В лівій (від башти) частині сектору розміщено 70 геліостатів фірми Cethel , кожен по 53,7 м². В правій частині сектору розміщено 112 геліостатів фірми МВВ (ФРН) по 21,8 м² кожен. Відбивальна здатність дзеркал геліостатів Cethel і МВВ складає , відповідно , 0,77 і 0,85.

Рис. 4. СЕС Eurelios

Загальна площа дзеркальної поверхні рівна 6,2 тис. м². Структура поля утворена прямолінійними рядами геліостатів (по лінії схід-захід). Крок між рядами підібраний відповідно розмірам кожного типу геліостатів і збільшується від башти до периферії поля.

Висота башти складає 55 м. На її вершині встановлений порожнинний приймач

в формі циліндричної порожнини з вхідним отвором діаметром 1,5 м , плоскість якого нахилена на 20° від вертикалі в сторону поля геліостатів. Приймальна поверхня утворена спіральним трубчастим екраном , температура якого сягає

512 °С.

СЕС CESA-1

В Альмерії (Іспанія) створений центр геліотехнічних досліджень в склад якого входять три СЕС малої потужності. Дві з них , CESA-1 і CRS – баштового типу , третя DSC – модульного типу з параболоциліндричними концентраторами.

СЕС CESA-1 має потужність 1,2 МВт. Її будівництво обійшлось в 38 млн марок ФРН і було організовано міністерством промисловості і енергетики. Керівництво проектом здійснював Інститут космічних досліджень і випробовувань ФРН. Спочатку ввід CESA-1 був запланований на кінець 1982 р. , але через технічні неполадки в системі приймача був здійснений лише в 1984 р.

Дзеркальне поле CESA-1 (рис. 5) складається з 300 геліостатів фірми Martin Marietta Aerospace по 38 м² кожен з відбивальною здатністю 0,87 , має сумарну площу дзеркальної поверхні 11,4 тис. м² і секторну форму. Геліостати розміщені прямолінійними рядами , як і в полі дзеркал Eurelios. Порожнинний приймач з площею вхідного отвору 11,6 м² встановлений на башті висотою 60 м і має температуру 520 °С.

Рис. 5. СЕС CESA-1.

СЕС CRS

СЕС CRS баштового типу має електричну потужність 0,5 МВт. Ця станція входить в склад Центру геліотехнічних досліджень а Альмерії (рис. 6). Її будівництво обійшлось в 37 млн марок ФРН. Станція була введена 21 вересня 1981 р.

Станція CRS має невелике дзеркальне поле , яке складається лише з 93 геліостатів по 39 м² , із загальною площею дзеркальної поверхні 3,7 тис. м² і відбивальною здатністю 0,91. Поле має секторну форму і радіально-кругову

шахову структуру розміщення геліостатів.

Порожнинний приймач з вхідним отвором 9,7 м² розміщений на башті висотою 43 м і виконаний у вигляді вертикально вигнутої циліндричної поверхні з кутом захвату 120°. Температура приймача складає 530 °С. Відмінна особливість проекту полягає в застосуванні двоконтурної теплової схеми з рідкометалічним натрієм в якості теплоносія а першому контурі.

Рис. 6. СЕС CRS.