10.4.3. Солнечные электростанции

В системах непрямого преобразования энергии сол­нечного излучения в электрическую, на гелиотермических (солнечных тепловых) электростанциях, солнечная энер­гия (аналогично энергии органического топлива на ТЭС) превращается в тепловую энергию рабочего тела, напри­мер, пара, а затем в электрическую. Можно создать гелиотермические электростанции мощностью до нескольких десятков, сотен мегаватт.

В настоящее время существует определенный опыт строительства и эксплуатации солнечных тепловых электростанций, например, в Южной Калифорнии, в Крыму. Так, солнечная электростанция с паросиловым циклом мощностью 90 МВт с солнечным полем площадью 450000 м2 имеет общий КПД по тепловой и электрической энергии — 38%. Лучшими технико-экономическими характеристиками обладает тепловая электростанция с интегрированным солнечнокомбинированным циклом, принципиальная схема которой дана на рис. 10.4.4.

Она включает газотурбинную установку, работающую на традиционном органическом топливе, и паротурбинную установку, приводимую в действие потоками пара высокого и низкого давления. Энергия этих потоков пара получена преобразованием энергии Солнца соответственно в контурах высокого и низкого давления. Основными элементами контуров являются устройства солнечного поля (коллектор из параболических зеркал и системы паропроводов, системы слежения и управления) и парогенераторы. Эффективность станции повышается за счет утилизации в экономайзере тепла потоков отработанных газа и пара высокого давления. Подобная гелиотермическая электростанция с интегрированным циклом мощностью 90 МВт при площади солнечного поля 200 м2 позволяет увеличить общий КПД до 50%. Кроме того, при интегрированном цикле достигается определенная независимость от изменений характеристик солнечной радиации из-за погоды и времени суток и года. Альтернативный вариант — солнечные электростанции башенного типа. На них системы плоских зеркал, расположенные на большой площади, отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник на вершине башни (рис. 10.4.5). К сожалению, КПД преобразования солнечной энергии в электрическую на башенных электростанциях составляет не более 10%, а стоимость получаемой электроэнергии несопоставима с ее стоимостью на ТЭС и даже АЭС. Ввиду непостоянства солнечного излучения в течение суток и времени года для обеспечения круглосуточного энергоснабжения от солнечной элекростанции требуется аккумулирование энергии. В этой связи рациональна совместная работа гелиотермической и гидроаккумулирующей электростанций.

Рис. 10.4.5. Схема солнечной электростанции башенного типа

10.4.4. Фотоэлектрические преобразователи

Заманчиво и многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью солнеч­ных элементов (фотоэлементов), в которых используется явление фотоэффекта.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а имен­но: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия, или внешний фотоэффект); перемещение заря­дов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (р—п) (вентильный фотоэффект); из­менение электрической проводимости (фотопроводимость).

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р—п) между ними ус­танавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явле­ние называется вентильным фотоэффектом, и на его ис­пользовании основано создание фотоэлектрических пре­образователей энергии (солнечных элементов, солнечных модулей и солнечных батарей

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы. Их КПД, однако, составляет не более 15%, и они очень дороги.

Практические области применения фотоэлектрическо­го преобразования солнечной энергии сегодня:

уличное освещение, зарядные устройства, потреби­тельские товары (фотоаппараты, калькуляторы, часы и т. д.);

электромобили;

автономные потребители (0,01 — 10 кВт): насосы, ир­ригация, холодильники, вентиляторы, аэрация водоемов, мобильные сельскохозяйственные установки, энергообес­печение домов (рис. 10.4.6), системы телекоммуникации и сигнализации;

так называемые солнечные дома, имеющие солнеч­ные модули (1—20 кВт) на крышах, объединенные с энер­госистемой;

центральные солнечные станции (50—5000 кВт), снаб­жающие энергией поселки и небольшие города.

Радио, видеоаппаратура

Панель солнечных фотоэлементов

Рис. 10.4.6. Фотоэлектрическая солнечная установка для энергообеспе­чения дома в сельской местности

Синхронная орбита энергетического спутника

100=15%

Рис. 10.4.7. Схема солнечной электростанции на искусственном спутнике Что касается крупных электростанций, то предложено два варианта реализации принципа фотоэлектрического преобразования. Первый заключается в создании солнеч­ных станций на искусственных спутниках Земли, обору­дованных солнечными панелями из фотоэлементов площадью от 20 до 100 км² в зависимости от мощности стан­ции. Вырабатываемая на спутниках электроэнергия будет преобразовываться в электромагнитные волны в микро­волновом диапазоне частот, направляться на Землю, где приниматься приемной антенной (рис. 10.4.7). Второй вари­ант предполагает монтаж сборных панелей солнечных фото­электрических элементов в малонаселенных и пустынных малоиспользуемых районах Земли. Для реализации этих про­ектов предстоит провести большой объем научных исследо­ваний и решить серьезные научно-технические проблемы.