Солнечные электростанции

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1	Обзорная часть	3
2	Преобразование солнечной радиации в электрический ток	4
2.1	Машинное преобразование солнечной энергии в электричество	4
2.2	Термоэлектрический  метод	6
2.3	Термоэмиссионный  преобразователь	7
2.4	Фотоэлектрический метод преобразования энергии	8
3	Типы солнечных  электростанции	10
3.1	Солнечные параболические концентраторы	10
3.2	Солнечная установка  тарельчатого типа	11
3.3	Солнечные электростанции башенного типа с центральным  приемником	12
3.4	Сопоставление технических характеристик	13
4	Направления научных  исследований в солнечной энергетики	15
4.1	Фундаментальные исследования	15
4.2	Прикладные  исследования	15
4.3	Экологические проблемы	16
4.4	Солнечная энергетика сегодня: достижения и перспективы	17
4.5	Стратегия и тактика частного бизнеса по "производству солнечной энергии"	18
	Литература	19

 

 

1 Обзорная часть

 

 

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую  энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Солнечное излучение  — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05*10¹⁸ кВтч, из них 2*10¹⁷ кВтч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62*10¹⁶ кВтч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2*10¹² т угля в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство этого вида энергоресурсов на земном шаре — 34,2 млрд. т угля.

Однако использование  этой энергии для производства электричества  в крупных размерах сопряжено  с большими трудностями, главные  из которых — низкая плотность солнечной радиации на поверхности земли и прерывистый характер ее поступления. Известные пути преодоления этих препятствий — создание аккумуляторов энергии и комбинированных солнечно-топливных или солнечно-атомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. Однако, эти решения не нашли широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

Получение электроэнергии от солнца давно применяется во всем мире. Главной задачей ученых на данный момент является необходимость так усовершенствовать имеющиеся технологии, чтобы как можно больше увеличить их КПД.

 

2 Преобразование солнечной радиации в электрический ток

 

 

К концу XX столетия человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

 

2.1 Машинное преобразование солнечной энергии в электричество

 

 

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинные установки, в  течение столетия работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях. Пригодны они и для работы в космосе, но в этом случае необходим специальный теплообменник — излучатель, выполняющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки (ЗГТУ) показана на рисунке 1, а. Здесь солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело — инертный газ до температур порядка 1200—1500 К и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки газовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока 5. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор 6, где подогревает рабочий газ после компрессора, облегчая тем самым работу основного нагревателя — солнечного котла, а затем охлаждается в холодильнике- излучателе 7. Как показали наземные испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте АН Узбекистана, установки такого типа весьма маневренны, выход на номинальные обороты (36 000 об/мин) занимал не более 1 мин с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. КПД этой установки составил 11%.

Может показаться, что для солнечных энергоустановок, использующих бесплатную энергию, величина КПД не столь существенна, как для традиционных тепловых машин на органическом топливе. Однако это не так, ибо размеры и вес наиболее громоздких и тяжелых частей солнечных космических энергоустановок — концентратора и холодильника- излучателя — зависят прежде всего от КПД установки.

 

Рисунок 1 - Принципиальные схемы солнечной газотурбинной (а) и паротурбинной (б) энергоустановки

 

 

Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем (рисунок 1, б). Здесь собранная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединенной с электрогенератором 5. После конденсации в холодильнике-излучателе 7 отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в ЗГТУ. У описанной в установки, работающей на органическом рабочем теле, КПД составлял 15—20% при сравнительно невысоких температурах подвода тепла — всего 600—650 К.

Аналогичная по назначению американская солнечная паротурбинная установка "Sunflower" имела КПД 12% при удельной площади холодильника-излучателя порядка 1 кВт/м². При таких характеристиках СКЭС на 10 ГВт (именно такая мощность требуется сегодня крупнейшим мегаполисам мира) потребовался бы холодильник-излучатель с площадью 10 км². Сравнительно менее проработаны экспериментально энергоустановки с поршневыми машинами замкнутого цикла.

Общим же недостатком всех машинных преобразователей является наличие в них вращающихся частей, что создает проблемы с поддержанием неизменной ориентации станции. Кроме того, из-за использования в качестве рабочего тела газа или пара необходима специальная защита излучателя от пробоя метеоритами.

 

 

2.2 Термоэлектрический  метод

 

 

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебе- ком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

Открытый эффект первоначально  использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940—1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами А.Ф. Иоффе и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.

Соединяя между собой  отдельные термоэлементы, можно создавать достаточно мощные термобатареи, одна из которых показана на рисунок 2, б. Батарея размещена в фокальной плоскости концентратора 3; ее горячие спаи 1 непосредственно обогреваются солнечной концентрированной радиацией, а отвод тепла от холодных спаев 2 осуществляется излучением. Приводятся энергетические характеристики космической энергоустановки, подобной показанной на рисунке 2, б, но без концентратора. Ожидаемый удельный вес установки до 50 Вт/кг. Это значит, что электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тыс. т. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением КПД преобразования солнечной энергии в электричество, можно достичь двумя путями: увеличением термического КПД преобразователя (КПД цикла Карно) и снижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки. Первый путь в принципе возможен, так как концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Однако при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем вряд ли достижимо. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь, в первую очередь на уменьшение перетока тепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов.

 

 

Рисунок 2 - Cхема термоэлектрического преобразователя: а - отдельный термоэлемент, б - термоэлектрический модуль на концентраторе

 

 

Однако, как  уже говорилось, после многолетних  попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая величина (2,5—2,7) • 10^-3 является предельной величиной. Тогда при продолжении поиска новых путей снижения перетока тепла и возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, как это имеет место в двухэлектрод- ной лампе — диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод — катод 1 (рисунок 3) и при этом охлаждать другой электрод — анод 2, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток, что и наблюдал впервые в 1883 году Томас Эдисон.

 

 

2.3 Термоэмиссионный преобразователь

 

 

Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество.

Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны  с неизотермическим характером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементах последовательного соединения отдельных модулей.

 

 

Рисунок 3 - Принципиальная схема термоэмиссионного преобразователя

 

 

Для достижения высоких КПД  цикла Карно современные ТЭП создают на рабочие температуры катодов 1700—1900 К, что при температурах охлаждаемых анодов порядка 700 К позволяет получать КПД порядка 10%. Таким образом, благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подвода тепла КПД ТЭП оказывается вдвое выше, чем у описанного выше ТЭГ, но при существенно более высоких температурах подвода тепла. Для получения таких температур поверхностей катодов на геосинхронной орбите точность ориентации на Солнце концентратора ТЭП должна находиться в пределах 6°—8°, что при тепловых мощностях СКЭС в 10—20 ГВт и соответствующих площадях концентраторов может стать, как отмечалось выше, серьезной технической проблемой.

Вполне возможно, что отмеченные обстоятельства сыграли не последнюю роль в выборе фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в бортовых системах электропитания первых и последующих поколений космических аппаратов.

 

 

2.4 Фотоэлектрический метод  преобразования энергии

 

 

Солнечная батарея (рисунок 4) основана на явлении внешнего фотоэффекта, проявляющегося на р—n- переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают р—n (или n—р-)-переход введением в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. Например, в кремний вводят алюминий или литий. В результате при попадании на р—n-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. КПД современных солнечных батарей достигает 13—15%.

Рисунок 4 - Схема солнечной батареи: 1 - солнечный элемент, 2 - защитное стекло, 3 - коммутационная шина, 4 — подложка

 

Наиболее перспективны для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м и 200 Вт/кг. При использовании в качестве преобразователя СКЭС мощностью 10 ГВт этих солнечных батарей их площадь составила бы 50 км² при весе 10 тыс. т.

 

3 Типы солнечных электростанции

 

 

3.1 Солнечные параболические концентраторы

 

 

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 C 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.