2.4 Солнечные системы для получения электроэнергии
Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Эту тепловую энергию можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество
Рассмотрим существующие на настоящий момент технологии получения электрической энергии на солнечных тепловых электростанциях.
Принципиальная схема строения таких энергетических гелиоустановок показана на рис. 2.34.
Электроэнергию получают за счет использования солнечной энергии в теплосиловых установках, где теплота от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения. В регионах с высоким уровнем солнечной радиации ее используют для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию.
Рисунок 2.34 - Принципиальная схема гелиоэнергетической установки
Концентрация солнечной энергии позволяет получать температуры равные или выше 700°С, достаточно высокие для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Для этого необходимо использование концентрирующих коллекторов солнечной энергии. Необходимо отметить, что изготовление параболических концентраторов с диаметром превышающим 30 м, довольно сложно.
Солнечные тепловые электростанции можно выполнить по двум вариантам:
использование большого количества рассредоточенных параболических коллекторов;
система большого количества гелиостатов и центральной солнечной башни.
Все описываемые технологии для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии.
На рис.2.35 показана система, состоящая из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за Солнцем. Коллектор имеет вид параболического тарельчатого зеркала (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки см. рис.2.36). Жидкость в приемнике нагревается до 1000оС. Концентраторы не обязательно должны иметь форму параболоидов, но обычно это предпочтительнее.
Каждый коллектор передает солнечную энергию жидкости - теплоносителю, горячая жидкость от всех коллекторов собирается в центральной энергостанции.
1 — электроэнергия; 2—трубы под землей, по которым протекает
аммиак или пар; 3— солнечные лучи.
Рисунок 2.35 – Тепловая солнечная электростанция с
рассредоточенными коллекторами
Рабочим телом в коллекторах является вода, а в зимний период — водно-спиртовой раствор. Эффективность использования падающего на приемник излучения составляет от 20% до 35%, произведенная электроэнергия - от 10% до 30% эффективного падающего излучения.
Принципиальная схема паросиловой солнечной электростанции представлена на рис.2.37.
Рисунок 2.36 - Параболический коллектор модульного типа
Рисунок 2.37 - Принципиальная схема паросиловой солнечной
электростанции
Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий. Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике. В октябре 1989 г. энергокомпания закрыла станцию из-за повреждений на глав ной турбине и нехватки средств для ремонта станции.
Теплонесущая жидкость может быть водяным паром, если она будет прямо использована в паровой турбине, или какой-либо термохимической средой - такой, как, например, диссоциированный аммиак. Схема устройства, основанного на диссоциации и синтезе аммиака, показана на рис. 2.34.
1 — зеркало; 2 — приемник, 3 — теплообменник;4 — тепловой
двигатель; 5 — камера синтеза; 6—сепаратор;7— к другим зеркалам
Рисунок 2.38 - Диссоциация и синтез аммиака как накопителя
солнечной энергии
Преимуществом последней системы является то, что в случае использования химического реагента отсутствуют потери между коллектором и тепловым двигателем, так что тепло может передаваться на большие расстояния или в течение длительного -времени (например, с вечера в течение всей ночи, что позволяет осуществить непрерывную генерацию электроэнергии). В этой системе солнечные лучи фокусируются на приемнике, в котором газообразный аммиак при высоком давлении (около 30 МПа) диссоциирует на водород и азот. Эта реакция — эндотермическая, дефект энергии составляет АН = - 46 кДж/моль NНз; солнечное излучение снабжает систему энергией, необходимой для протекания этой реакции. В присутствии катализатора в камере синтеза N2 и Н2 частично рекомбинируют, выделяемое при этом тепло можно использовать для подключения внешнего теплового двигателя или другого устройства. Выходящий из камеры синтеза поток охлаждается, что приводит к сжижению аммиака.
Альтернативный вариант состоит в использовании расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник, помещенный на вершине башни, так называемые солнечные электростанции башенного типа.
Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н. В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.
Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.
а)
б)
а – башня с гелиостатами; б – выработка и передача электрической энергии
Рисунок 2.39 - Схема солнечной электростанции башенного типа
Система с центральным коллектором состоит из большого числа управляемых зеркал-гелиостатов, которые отражают солнечную радиацию и направляют ее на центральный приемник, помещенный на высокой башне, 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 тепловому аккумулятору в виде пара. При высокой степени концентрации солнечной радиации в приемнике может быть получен пар высокой температуры. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 оC. Кроме воды можно использовать также и другие теплоносители ( например, газообразные или жидкометаллические). В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используют:
водяной пар с температурой до 550 0С;
воздух и другие газы – до 1000 0С;
низкокипящие жидкости (в том числе фреоны) – до 100 0С;
жидкометаллические – до 800 0С.
Для производства электроэнергии в ночное время и в периоды понижения уровня солнечной радиации пользуются обычным топливным котлом, благодаря чему турбина может работать в различных режимах.
В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.
Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 оC и проходит через приемник, где нагревается до 565 оC, 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.
Самая большая солнечная электростанция мощностью 10 МВт (Solar One) была построена в Калифорнии (США). Большинство подобных солнечных электростанций работает по одинаковому принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, "следящих" за Солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на довольно высокой башне. Ресивер- это солнечный котел, в котором производится водяной пар средних параметров, который потом направляется в стандартную паровую турбину. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 2.40.
Также в Калифорнии введена в эксплуатацию электростанция «Solar Two» - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 оC, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "Solar Two" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт
Одной из ведущих стран по внедрению башенных солнечных электростанций является Испания. Одна из таких гелиоустановок показанная на рис. 2.42, построена в Севилье в 2007 г..
К примеру, опытная солнечная станция мощностью 50 кВт построенная в Италии, может генерировать 150 кг ч перегретого пара при температуре 500 0С . Поле гелиостатов этой станции состоит из 270 зеркал диаметром 1 м каждое. Рассматриваются станции мощностью от 2 МВт до 100 МВт с высотой башни до 300-450 м. При строительстве солнечных станций необходимо ориентироваться на гелиостаты большой площади, так как в этом случае меньше вероятность повреждения их сильными ветрами.
Рисунок 2.40 - Башенная солнечная электростанция
Solar One
Рисунок 2.41 – Поле плоских гелиостатов электростанции
Solar One
Рисунок 2.42 – Башенная солнечная электростанция башня
(Севилья, Испания)
В 1985 г. в п. Щелкино в Крыму была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощности 5 МВт с 1600 гелиостатами (плоских зеркал) площадью 25.5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0.71. Они концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.
Имеющийся опыт и технико-экономические расчеты показывают, что СЭС мощностью до 10 МВт не рентабельны. Оптимальной является СЭС мощностью 100 МВт при высоте башни 250 м. Управление такими станциями и ориентацией гелиостатов осуществляется с помощью ЭВМ. Крупные СЭС обычно состоят из отдельных блоков мощностью от 30 до 100 МВт.
Большим недостатком СЭС башенного типа является их высокая стоимость и большая занимаемая площадь.
Помимо гелиостанций с центральной башней в настоящее время началось использование гелиостанций с параболоцилиндрическими концентраторами. На рисунке 2.43 приведен параболоцилиндрический концентратор.
В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель (см. рис. 2.44).
Эта жидкость нагревается почти до 400 оC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор 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. В редких случаях они являются стационарными.
Рисунок 2.43 - Параболоцилиндрический
концентратор
Рисунок 2.44 - Поле безбашенной тепловой солнечной
электростанции с параболоцилиндрическими
концентраторами
Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества.
Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации.
Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт. Из-за многочисленных законодательных и политических трудностей компания "Luz International" и ее филиалы 25 ноября 1991 года известили о своем банкротстве. Теперь станциями "SEGS I - IX" управляют другие фирмы по старому контракту с "Southern California Edison". От планов постройки "SEGS X, XI, XII" пришлось отказаться, что означает потерю дополнительных 240 МВт запланированной мощности.
Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа, в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего
Коммерчески обоснованные энергетические системы от нескольких киловатт до сотен мегаватт достаточно жизнеспособны, электростанции мощностью 354 МВт эксплуатируются в Калифорнии с 1980 года. Объекты солнечной энергетики могут функционировать, как подключенными к общей сети, так и в распределенных, автономных сетях. Они подходят для гибридного производства энергии, и могут включать в себя экономически эффективные системы хранения энергии. Они могут работать во всем мире в районах с высоким уровнем инсоляции, в том числе, в большинстве районов юго-запада США, Центральной и Южной Америки, Африки, Австралии, Китая, Индии, Средиземноморского региона и Ближнего Востока. Коммерческие гелиоустановки давно достигли уровня затрат на производство энергии около 12-15 центов/кВтч, и снижение этого показателя, как ожидается, в конечном счете, приведет к самому низкому уровню в 5 центов/кВтч. Данная динамика исзменения цен приведена на рисунке 2.45.
На рисунке 2.45 синим цветом показаны текущие расходы, включая 1-2 цента/кВтч, а относящиеся к "восполняемой" энергетике, показанные зеленым цветом.
Advanced Concentrating Solar Power - Развитие солнечной энергетики;