Главная страница » Альтернативная энергетика » Типы солнечных электростанций: простые и сложные решения

Типы солнечных электростанций: простые и сложные решения

Типы солнечных электростанций

Многие в детстве пускали солнечных зайчиков и выжигали увеличительным стеклом по дереву или поджигали бумагу. Этот нехитрый способ использования солнечной энергии и положен в принципиальную основу функционирования различных типов солнечных электростанций (СЭС).

Зайчик нужно было направить в глаз приятелю или на потолок комнаты друга, не выходящего гулять, – дети решали задачу направленности солнечного потока в нужное место. Лупа позиционировалась таким образом, чтобы солнечный кружок становился яркой точкой, и тогда бумага начинала дымиться. Будущие инженеры концентрировали тепловую энергию солнечного излучения, преобразуя её в рисунок и дым.

С фотоэлементами было немного сложнее – в космосе работали, игрушка «световой тир» уже была, но больших солнечных панелей в быту не хватало.

Детство пролетело, и сегодня, используя солнечный свет, электроэнергию получают следующим образом:

  • нагревом теплоносителя, и за счет его расширения, дальнейшее преобразование в механическую и электрическую энергию;
  • фотоэлектрическим эффектом – с использованием модулей солнечных батарей различного происхождения и технологии производства.

Концентрационные (тепловые) солнечные электростанции

СЭС башенного типа

Работает эта система следующим образом:

  1. Гелиостаты (вогнутые зеркала), закрепленные на подвижных основаниях с электрическим приводом, позиционируются таким образом, чтобы в любой момент времени солнечный луч был направлен на определенную точку резервуара с жидкостью, который установлен на башне.
  2. Жидкость разогревается до температур в пределах 700°С и преобразуется в пар.
  3. Пар передается насосами на турбину, соединенную с генератором.
Солнечная электростанция башенного типа

Данный тип электростанций позволяет использовать технические решения, широко применяемые в обычных ТЭЦ, и достигать сравнимых показателей КПД порядка 20%. Для повышения этого значения научно-техническая мысль работает в направлении:

  • улучшения алгоритмов позиционирования гелиостатов (централизованное управление или самонастраивающееся для каждого зеркального элемента);
  • снижения собственного потребления электроэнергии – насосная группа, тысячи позиционирующих шаговых двигателей (рассматривают их замещение локальными приводами с другими принципами работы – гидравлические, пневматические, комбинированные);
  • форма и материалы резервуара;
  • методы накопления избыточного тепла.

СЭС башенного типа сооружают в солнечных и пустынных местах, где нет ограничений в свободных площадях земли, воздух относительно чист, абразивное воздействие ветров минимально.

Как работает СЭС башенного типа

К минусам данного типа электростанций можно отнести постоянную гибель ослепленных птиц, привлеченных ярким солнечным пятном.

Интересные факты:

  • высота расположения резервуара на израильской СЭС башенного типа – 240 метров;
  • площадь зеркал каждого гелиостата может составлять десятки квадратных метров;
  • СЭС башенного типа с мощностями более сотни МВт – не редкость;
  • количество гелиостатов может составлять десятки тысяч единиц на одной СЭС;
  • существуют системы Wi-Fi, с помощью которых можно контролировать положение гелиостатов;
  • вода – не единственный теплоноситель, используют соляные растворы и масла.

Башенное расположение резервуара обусловлено необходимостью его прямой видимости для всех лучей поля гелиостатов. Теоретически, можно было бы резервуар расположить и на «сцене» естественного амфитеатра, при расположении гелиостатов «на зрительских местах». Что и подтолкнуло инженерную мысль к созданию СЭС тарельчатого типа.

СЭС тарельчатого (дискового) типа

Чтобы «есть слона по кусочкам», инженеры разработали СЭС тарельчатого типа, каждый из модулей которого вырабатывает собственную электрическую энергию.

На единой опорной конструкции расположен подвижный блок зеркал и вынесенный в точку фокуса приемник энергии.

Для преобразования тепла в электрическую энергию используют и традиционный пар с турбиной, и двигатель Стирлинга.

Солнечная электростанция тарельчатого типа

Техническая реализация предполагает механическую прочность конструкции, способной выдерживать значительные нагрузки в силу высокой парусности изделия. Меньшая потенциальная надежность каждого модуля, компенсируется их значительным числом, что позволяет производить ремонт и обслуживание, без отключения потребителей.

Работа СЭС тарельчатого типа

Такие СЭС могут покрывать потребности в электроэнергии объектов, где нет большого потребления, и возведение башенной СЭС экономически нецелесообразно. Технически позволяют организовать локальное управление позиционированием каждого модуля, без центрального управления.

Интересно


«А вот если возле каждого модуля посадить по подсолнуху, он ведь тоже головой вслед за солнцем вертит, пусть без всяких компьютеров подсказывает, где Солнце. Делай как я!»

Использование водородного двигателя Стирлинга в СЭС тарельчатого типа с площадью около 100 квадратных метров, установленной на территории ЮАР, позволило достичь 34% КПД.

СЭС параболоцилиндрического типа

Практическое использование цилиндрической параболы как основы для размещения зеркал позволило частично упростить задачу одновременного позиционирования как в расчетном плане, так и в механическом. Общий принцип нагрева теплоносителя не изменился, максимально возможные температуры в фокусе до 400°С.

Параболоцилиндрическая солнечная электростанция

И хотя эффективность их использования уступает первым двум типам СЭС, в 2016 году в Марокко была сооружена станция мощностью более 500 МВт, число зеркал в которой около полумиллиона.

Принцип работы параболоцилиндрической СЭС

СЭС с использованием двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга – особый вид тепловой машины, преобразующий тепловую энергию в механическую. Не вдаваясь в технические дебри различных типов этого устройства, подчеркнем, что использование в СЭС с концентрированной точкой или площадью нагрева и значительно более холодной температурой окружающей среды – идеальные условия для тепловой машины Стирлинга, что и позволяет достигать КПД почти в два раза превышающей СЭС «на пару» или на «фотоэлементах».


Принцип работы двигателя Стирлинга

Солнечно-вакуумные электростанции

Выглядит это, как огромный парник с вертикальной трубой в центре. Тёплый воздух накапливается в парнике и, проходя через трубу, вращает турбину, которая передаёт энергию на генератор.

Солнечно-вакуумная электростанция

Запатентованные еще в двадцатые годы прошлого века, воплощенные в жизнь экспериментальным порядком в Испании и Китае, отличаются низкой мощностью и колоссальными размерами. 

Принцип работы солнечно-вакуумной электростанции

Сооруженная в 1982 году возле Мадрида станция, располагалась в круге радиусом 122 метра с центральной колонной высотой около 200 метров. Её максимальная мощность достигала 50 кВт. После 8 лет эксплуатации станцию демонтировали. Основной проблемой была коррозия центральной колонны, что в условиях сильных ветров, не допускало её дальнейшей эксплуатации. Построенная в Китае в 2010 году СЭС подобного типа смогла выдать 200 кВт удельной мощности с занимаемой площади в 277 Га.

Фотоэлектрические солнечные электростанции

Электростанции, использующие большое количество фотоэлектрических панелей, давно и успешно эксплуатируются как в «микроразмерах» для автономного снабжения отдельных объектов, так и в промышленных масштабах. Использование кремниевых панелей ограничено КПД чуть более 20%, рекорд достигнут с помощью индиево-галлиевого-арсенидного элемента – более 40%.

Фотоэлектрическая солнечная электростанция

Технические проблемы – большая парусность конструкции и необходимость позиционирования – схожи в концентраторными СЭС. Отличаются от предыдущих необходимостью в накопителях электрической энергии в темное время суток. Снижение поэлементной эффективности фотоэлектрических модулей с течением срока службы предусматривает большие эксплуатационные затраты.

Серийно выпускаемые в настоящее время разновидности солнечных панелей принципиально устроены практически одинаково.

Как работает солнечная панель
  1. Солнечный свет в ультрафиолетовом диапазоне попадает на тонкие пластины кремния, являющегося полупроводником.
  2. Энергия света частично поглощается, что приводит к высвобождению электронов внутри полупроводника.
  3. Если в этот момент приложить к нему электрическое поле, то электроны потекут в одном направлении, что и создает в итоге электрический ток.

На этом базовом принципе основаны все современные разновидности солнечных батарей. Разница между ними в технологии производства, КПД, стоимости и сроке службы.

Виды фотоэлектрических ячеек:

  • кремниевые поликристаллические;
  • кремниевые монокристаллические;
  • аморфные на основе кремневодорода или силана;
  • пленочные, на основе теллурида кадмия;
  • пленочные, на основе селенида меди-индия;
  • полимерные.

Рекомендуем: Сравнение типов солнечных панелей

Ячейки собирают на прочную подложку, являющуюся радиатором охлаждения, и защищают от осадков защитным прозрачным слоем (закаленное стекло). Собирают в единый модуль, спаивая контактные группы с помощью автоматизированных линий согласно заданных массогабаритных и электрических характеристик.

С годами эффективность фотоэлектрических батарей падает. Это происходит из-за изнашивания поверхностного слоя ячеек, что приводит к уменьшению количества высвобождаемых электронов.

Современные гарантийные сроки на солнечные панели составляют около 25 лет. Скорее всего, за этот срок будут освоены серийные изделия с большим, чем в настоящее время КПД – до 22% (монокристаллы), до 18% — поликристаллы. Упомянутый ранее индиево-галлиевый-арсенидный элемент с отличным КПД порядка 40% в стадии активных испытаний опытных предсерийных образцов не прошел проверку временем, схожую с кремниевыми батареями.

Как утилизируют солнечные модули

 Аэростатные СЭС

Очень интересные с технической точки зрения решения, позволяющие решить следующие проблемы:

  • огромная площадь занимаемой гелиостатами любой формы и фотоэлектрическими модулями;
  • ветровой нагрузки технических элементов системы с большой парусностью;
  • размещение СЭС на пасмурных территориях;
  • использование водных пространств.

По типу преобразования энергии они бывают фотоэлектрическими и тепловыми с аэростатами сложной конструкции: системой перепускных клапанов, подачей пара, двойной оболочкой воздушного шара.

Фотоэлектрические стали возможными, когда появились работающие технологии гибких панелей, а также пропускающие свет солнечные модули. Варианты их размещения в воздушном шаре в настоящее время активно отрабатываются для поиска наиболее оптимального решения.

Концепт аэростата с солнечными батареями
Концепт аэростата с солнечными батареями

Паровые устроены следующим образом:

  1. Воздушный шар с двойной оболочкой. Внешняя – прозрачная, внутренняя – со специальной теплопоглощающей поверхностью с промежуточным слоем, заполненным воздухом, одновременно служащим теплоизолятором.
  2. С помощью насосов в шар поступает вода.
  3. При нагревании вода преобразуется в пар, который поступает на турбину.
  4. Турбина вращается, а подключенный к ней генератор вырабатывает электричество.
Паровая аэростатная СЭС
Паровая аэростатная СЭС

Комбинированные СЭС

Как понятно из названия, для выработки электроэнергии могут применяться оба вида генерации – фотоэлектрический и нагрев теплоносителя с дальнейшим его использованием или в качестве преобразователя механической и тепловой энергии в электрическую, или утилизируемый для обогрева помещений.

Проект Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park

Проект Mohammed Bin Rashid Al Maktoum Solar Park — лучший пример комбинированной СЭС

Солнечная энергетика очень активно развивается не только в силу необходимости поиска альтернативных вариантов энергообеспечения, но и в силу регулярного появления новых технологических решений, позволяющих инженерам воплощать в жизнь смелые идеи изобретателей прошлого.

Поделиться

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Продолжить