Источники энергии: история и современность

В !985 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.

 

4.4 .  Солнечные батареи

 

    Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей - устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10-12 %).

       Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

      Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. В 1989 г. фирмой “Боинг” создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%=37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

        Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

     В ряде стран разрабатываются гелиоэнергитические установки с использованием так называемых солнечных прудов.

 

4.5  Солнечный пруд

 

    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.

 

4.6   Солнечные коллекторы и аккумуляторы теплоты

 

        Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого либо другого теплоносителя. Различают два типа солнечных коллекторов - плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих - с концентрацией, т.е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ).        Его работа основана на принципе “горячего ящика”. Для того чтобы изготовить плоский КСЭ, необходима прежде всего лучепоглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент - абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера должна быть окрашена в черный цвет или должна иметь специальное поглощающее покрытие. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе, не превышает 100 оС. К числу принципиальных преимуществ плоского КСЭ по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого - возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

       Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии, как правило, изготавливается из металла с высокой теплопроводимостью, а именно из стали, алюминия и даже из меди.

При использовании концентраторов, т.е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это имеет место в фокусирующих коллекторах солнечной энергии, требующих специального механизма для слежения за Солнцем. Зеркала - плоские, параболоидные или параболо-цилиндрические - изготовляют из тонкого металлического листа или фольги или других материалов с высокой отражающей способностью; линзы - из стекла или пластмасс. Фокусирующие коллекторы обычно применяют там, где требуются высокие температуры (солнечные электростанции, печи, кухни и т.п. В системах теплоснабжения зданий они как правило не используются.

         Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень. Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре - январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально, для обеспечения теплопотребления необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а избыток накапливать в аккумуляторе теплоты.

         Аккумуляторы можно классифицировать по характеристике физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ):

  -  аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);

  -  аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевая) вещества; 

  -  аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

 

5. Электроэнергия  из  космоса.

 

5.1. Развитие  космической энергетики.

5.1.1. Хронология  развития космической энергетики.

 

1968: Питep Глейзер представил  идею больших солнечных спутниковых систем с солнечньм коллектором размером в квадратную милю на вьсоте геостационарной орбиты (ГСО 36000 км над экватором), для сбора и преобразования энергии солнца в электромагнитный пучок СВЧ для передачи  полезной энергии на большие антенны на Земле.

1970: Министерство знергетики США и NASA рассмотрело проектирование и технико-экономических обоснование спутника Solar Power Satellite (SPS)

 

1973: Питep Глейзер получил патент США номер 3781647 за его метод передачи набольшие расстояния (например от спутника на поверхность Земли)с помощью микроволн от больших антенн на спутнике на ректенны на Земле.

1994: ВВС США проводят эксперимент с использованием расширенных Фотоэлектрических спутников запущенных на низкую орбиту Земли с

помошыо ракеты.

1995-1997: NASA провело исследование космической солнечной энергии, её концепции и технологий.

1998: Космическое  агентство Японии начинает программу  развития космической солнечной  электрической системы, которая  продолжается и го

сей день.

1999: началась  программа  NASA космическая солнечная энергия

2000: Джон  Манкинс NASA дал показания в палате представителей США, говоря: 'Крупномасштабное солнечная спутниковая система является очень сложной интегрированной системой и требует многочисленных значительных достижений в области современных технологий. Был разработан технологический план, в котором определен алгоритм разработки всех необходимых технологий — в течение нескольких десятилетий

2001: Космическое агентство Японии объявило о планах провести дополнительные исследования и запуск экспериментального спутника с 10 киловатт и 1 МВт мощности.

2009: Японское  агентство аэрокосмических исследовании  объявило о своих планах вывести  на орбиту спутник солнечной  энергии, которые будут передавать  энергию на Землю с помощью  микроволн. Они надеются вывести первый прототип орбитального спутника к 2030 году.

2009: Компания  Solaren расположенная в Калифорнии (США) подписал договор с компанией PG&E о том, что последняя будет покупать энергию.

2001: Космическое  агентство Японии объявило о  планах провести дополнительные исследования и запуск экспериментального спутника с 10 киловатт и 1 МВт мощности.

2009: Японское  агентство аэрокосмических объявил  о своих планах вывести на  орбиту спутник солнечной энергии, которые будут передавать энергию  на Землю с помощью микроволн. Они надеются вывести первый прототип орбитального спутника к 2030 году.

2009: Компания  Solaren расположенная в Калифорнии (США) подписала договор с компанией PG&E о том, что последняя будет покупать энергию, которую Solaren произведет в космосе. Мощность будет составлять 20 мегаватт. По плану этой энергией будут питаться 250 000 домов. Реализация проекта планируется на 2016 год.

2010: Компания  Shimizu опубликовала статью в которой рассказывается о возможностях создания гигантской лунной энергетической станции на существующих сегодня технологиях.

 

  5.1.2.  Космическая энергетика- энергетика будущего

   Может ли энергоснабжение, получаемое от космических источников энергии решить все энергетические проблемы человечества? Специалисты компании Boeng  и агентства NASA разрабатывают проект солнечной энергостанции солнечного базирования. Этот проект имеет название SBSP (Space-Based Solar Power) и представляет из себя по задумкам создателей сеть энергетических спутников, расположенных на геосинхронных орбитах. Эти спутники утилизируют получаемую солнечную энергию и передают ее вниз, на поверхность Земли в виде микроволнового излучения.