Солнечная энергетика

 Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются : они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

Наиболее  эффективно их можно использовать в  южных широтах, но и в средней  полосе они находят применение. Зеркала  в установках используются либо традиционные - стеклянные, либо из полированного  алюминия.

Технически  концентрацию можно осуществлять с  помощью различных оптических элементов- зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели.

Основным  энергетическим показателем концентратора  солнечного излучения является коэффициент  концентрации, который определяется как отношение средней плотности  сконцентрированного излучения  к плотности лучевого потока, падающего  на отражающую поверхность при условии  точной ориентации на Солнце.

Концентрирующая способность реальных систем значительно  ниже Пред (Пред = 46 160 ), но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь  конфигурацию, близкую к форме  поверхностей вращения второго порядка- параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.

Наиболее  эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического  параболоида; параболоида вращения; 
плоско-линейной линзы Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоид. концентратора (45град.), близок к 60 град. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга ( двигатель внешнего сгорания, пример-паровоз). Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 куб.м. воды в час. В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости. Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. 
Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВтч энергии - 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций. (Атомные станции США ~ 15 центов за 1Квт.). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом в дневные часы - солнце. Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболоцилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, нагреваемым до 350°С.  Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем.

На острове  Сицилия еще в начале 80-х годов  дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии  является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Электростанция  в Калифорнии проде-монстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.

1. Типы гелиоэлектростанций

В настоящее  время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.

 Идея, лежащая в основе работы СЭС  башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в  п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт;  1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м² каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

 В башенных 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 ^оС, воздух и другие газы - до 1000 ^оС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100  ^оС, жидкометаллические теплоносители - до 800  ^оС.

Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая  занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС 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 250 м.

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 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.

СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле  СЭС других типов, так как они  не требуют зеркальных отражателей  со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах  с жарким климатом.

В солнечном  пруду происходит одновременное  улавливание и накапливание солнечной  энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 ^оС. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный   слой     и      эта       теплота      довольно   быстро   теряется,

особенно  в ночные часы и при холодной ненастной  погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90-100  ^оС, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20  ^оС. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда

Обычно  глубина пруда составляет 1-3 м. На 1 м ² площади пруда требуется 500-1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Наиболее  крупный из существующих солнечных  прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 250 000 м ² . Он используется для производства электроэнергии. Электрическая мощность энергетической установки, работающей по циклу Ренкина, равна 5 МВт.  Себестоимость 1  кВт ч электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов.

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда  поддерживается градиент поваренной соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в  гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической  теплоты, в системах конденсирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.