Солнечные тепловые электростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Типы солнечных электростанций

Все солнечные электростанции (сэс) подразделяют на несколько типов:

§ СЭС башенного типа

§ СЭС тарельчатого типа

§ СЭС, использующие фотобатареи

§ СЭС, использующие параболические концентраторы

§ Комбинированные СЭС

§ Аэростатные солнечные электростанции

СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат -- зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача - это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности. <Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 году.

СЭС в Крыму

В Крыму, в городе Щёлкино, была построена СЭС башенного типа в качестве резервного источника электричества для планируемой там АЭС. Но по большому счету, эта станция была экспериментальной: ее мощность 5 МВт. При эксплуатации этой станции было выявлено множество трудностей. Одна из них -- система позиционирования отражателей практически полностью (95 %) расходовала энергию, вырабатываемую станцией . Также возникали трудности с очисткой зеркал. Вскоре эта станция прекратила своё существование и была разворована. 45°24?09.53? с. ш. 35°51?46.25? в. д.

В 2011 году в Крыму возле села Охотниково компания Activ Solar построила солнечную электростанцию общей мощностью 80 МВт на более чем 160 гектарах.Электростанция состоит из примерно 360 000 модулей и может вырабатывать до 100 ГВтч электроэнергии в год, что достаточно для обеспечения потребностей до 20000 домохозяйств. Проект разделен на четыре очереди по 20 МВт каждая. Строительство первых двух очередей было завершено в июле 2011, третья и четвертая в октябре того же года.

Та же компания Activ Solar в январе 2012 года объявила о завершении строительства и начале ввода в эксплуатацию солнечной электростанции «Перово» на 100 МВт. По состоянию на январь 2012 года это самая мощная электростанция в мире.

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотобатареи

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

СЭС использующие параболические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25%. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Комбинированные СЭС

Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

солнечных электростанция концентратор башенный

Крупнейшие фотоэлектростанции в мире

СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В дополнение к прямому использованию солнечного тепла, в регионах с высоким уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. Промышленное применение этой технологии берет свое начало в 1980-х; с тех пор эта отрасль быстро развивалась. В настоящее время энергокомпаниями США уже установлено более 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 млн баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (в американском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной мощности и накопили 100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является настолько развитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционными электрогенерирующими технологиями во многих районах США. По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

СОЛНЕЧНЫЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ

Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду.

Большие зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма "Luz Corp." установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят 354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %.

Все описываемые технологии, кроме солнечных прудов, 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.

Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции - это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

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 °С 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.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), 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.

Солнечная установка тарельчатого типа

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 °С и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

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.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, 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. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C.
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 °C и проходит через приемник, где нагревается до 565 °C, 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.

"Solar Two" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - 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 °C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду.

Сопоставление технических характеристик

В таблице сведены ключевые характеристики трех вариантов солнечной тепловой электрогенерации. Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер "тарелок" позволяет использовать их в небольших установках. Башни и "тарелки" позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

Характеристики солнечных тепловых электростанций

(p) = прогноз; (d) = факт;

Сравнение основных солнечных тепловых технологий

Некоторые экономические и конструкторские проблемы тепловых солнечных электростанций

Стоимость электричества, произведенного тепловыми солнечными электростанциями, зависит от множества факторов. Среди них капитальные затраты, эксплуатационные затраты и расходы на техническое обслуживание, производительность системы. Однако важно заметить, что стоимость технологии и конечная стоимость выработанной электроэнергии подвержены существенному влиянию внешних факторов, не относящихся непосредственно к данной технологии. Например, параболические концентраторы и башни в виде небольших автономных установок могут стоить весьма дорого. Чтобы снизить их стоимость и сделать конкурентоспособными по отношению к современным электростанциям, работающим на органическом топливе, необходимо постепенно повышать их мощность и строить солнечные энергоцентры, где на одной площадке размещаются несколько энергетических объектов. Вдобавок, поскольку эти технологии замещают традиционные виды топлива, налоговое регулирование может оказать значительное влияние на их конкурентоспособность.

СТОИМОСТЬ ПРОТИВ ЦЕННОСТИ

Благодаря аккумулированию тепла и гибридизации, тепловые солнечные электростанции могут стать устойчивым и гибким источником электроэнергии. Он надежен и способен производить электроэнергию тогда, когда она нужна. В результате, управляемая электроэнергия имеет для коммунального предприятия высокую ценность, так как она компенсирует необходимость строить и эксплуатировать новые электростанции. Это означает, что, хотя солнечная тепловая электростанция может стоить дороже традиционной, ценность ее может быть выше.

ПРЕИМУЩЕСТВА

Тепловые солнечные электростанции создают в два с половиной раза больше квалифицированных, высокооплачиваемых рабочих мест, чем традиционные электростанции, на которых сжигается органическое топливо. Энергетическая комиссия штата Калифорния провела исследование, которое показало, что даже при существующих налоговых скидках за солнечную тепловую электростанцию нужно платить приблизительно в 1,7 раз больше налогов в федеральный и местный бюджет, чем за парогазовую станцию эквивалентной мощности. Если бы за эти электростанции платили одинаковые налоги, стоимость произведенного на них электричества была бы приблизительно одинаковой.

ПОТЕНЦИАЛ

Если бы всего лишь 1% земных пустынь использовался под производство экологически чистой солнечной тепловой электроэнергии, ее было бы получено больше, чем вырабатывается сегодня за счет сжигания ископаемого топлива во всем мире.

БУДУЩЕЕ

К 2003 году в США и в других странах мира было развернуто производство теплового солнечного электричества общей мощностью более 700 мегаватт. Рынок потребления этих систем к 2010 г. превысил 5000 мегаватт, а это достаточно, чтобы обеспечить бытовые потребности 7 миллионов людей и сэкономить количество энергии, эквивалентное 46 млн баррелей нефти в год.

Технологии получения солнечной тепловой электроэнергии, основанные на концентрации солнечного света, находятся на разных этапах разработки. Параболические концентраторы уже сегодня применяются в промышленном масштабе: в пустыне Мохаве (штат Калифорния) мощность установки составляет 354 МВт. Солнечные электростанции башенного типа проходят фазу демонстрационных проектов. Пилотный проект под названием "Solar Two" мощностью 10 МВт проходит испытания в г. Барстоу (США). Системы тарельчатого типа проходят стадию демонстрационных проектов. Несколько проектов находятся в конструкторской разработке. В г. Голден (США) работает 25-киловаттная станция-прототип. Солнечные тепловые электростанции отличает ряд особенностей, которые делают их весьма привлекательными технологиями на расширяющемся мировом рынке возобновляемой энергии.

Тепловые солнечные электростанции за последние несколько десятилетий преодолели трудный путь. Продолжение проектно-конструкторских работ должно сделать эти системы более конкурентоспособными по сравнению с использованием ископаемого топлива, увеличить их надежность и создать серьезную альтернативу в условиях всевозрастающего спроса на электроэнергию.

Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах.

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли - на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный "рассол" используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

1. Высокая концентрация соли

2. Средний слой.

3. Низкая концентрация соли

4. Холодная вода "в" и горячая вода "из"

Этот тип электростанции испытан в Бейт Ха'Арава (Израиль), возле Мертвого моря. Израиль является мировым лидером в области использования соленых солнечных прудов. Компания "Ormat Systems Inc." установила несколько таких систем в акватории Мертвого моря.

Самая крупная из них имеет мощность 5 МВт. Пруд площадью 20 га превращает солнечный свет в электричество при КПД около 1%. Нижние слои воды в пруде имеют очень высокую плотность. Хотя солнечный пруд успешно работал в течение нескольких лет, в 1989 г. его пришлось закрыть по экономическим соображениям. Крупнейшим в США является солнечный пруд площадью 0,3 га в Эль Пасо (штат Техас). Он проработал без остановки с момента своего открытия в 1986 г. Он приводит в действие 70-киловаттный турбогенератор Рэнкина и опреснительную установку объемом 20 000 литров в день, а также поставляет техническое тепло на соседний пищевой комбинат. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 °C в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт·ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки. За пять лет работы установка выработала свыше 50000 кВт·ч электроэнергии. Искусственный соленый солнечный пруд сооружен в Майамисбурге (штат Огайо, США). Он используется для обогрева городского плавательного бассейна и дома отдыха.

В Китае построена первая солнечная станция концентрационного типа мощностью более 1 МВт

Если, всего, шесть лет тому назад здесь росли только дикие травы, то сегодня в 75 километрах к северо-западу от города Пекин вблизи поселка Бадалин, где находится известный одноименный участок Великой китайской стены, выросла первая в Азии солнечная тепловая электростанция башенного типа мощностью 1,5 мегаватт.

Новая солнечная электростанция носит название "Бадалинской экспериментальной солнечной тепловой электростанцией Академии наук Китая".

"Это первая в нашей стране и в Азии башенная солнечная тепловая электростанция мощностью свыше одного мегаватта, она включает одну башню-коллектор солнечного тепла высотой около 120 метров, гелиостат площадью 10 000 квадратных метров, эндотермическую систему и систему хранения тепла, а также установки для управления станцией и выработки электричества и прочие объекты. Сейчас здесь стабильно работает паротурбинная установка мощностью 1,5 МВт",

Судя по итогам подсчета местных ресурсов солнечной радиации у поселка Бадалин, новая СЭС может давать около 1,95 млн кВт/ч электричества в год и сэкономить 663 тонны условного топлива в год в сравнении с традиционной тепловой электростанцией, при этом выбросы двуокиси углерода сокращаются на 2336,6 тонны, выбросы двуокиси серы -- на 17,5 тонны, выбросы частиц пыли -- на 136,3 тонны,

Крымская солнечная электростанция «Перово» стала крупнейшей в мире

Австрийская компания Activ Solar объявляет о завершении строительства и начале ввода в эксплуатацию пятой и заключительной очереди 100 мегаваттной (МВт) солнечной электростанции в Перово (Крым). Эта установка является третьим новаторским проектом Activ Solar, реализованным в 2011 году, и одним из крупнейших в своем роде в мире.

Электростанция состоит из 440 000 кристаллических солнечных фотоэлектрических модулей, соединенных 1 500 км кабеля, и установленных на более 200 га площади (охватывает примерно 259 футбольных полей). Установка будет производить 132 500 МВт часов чистой электроэнергии в год, что достаточно для удовлетворения плановой пиковой потребностей в электроэнергии Симферополя, столицы Крыма. Станция позволяет сократить выбросы СО2 на 105 тысяч тонн в год. На протяжении 7 месяцев строительства проект «Перово» создал 800 рабочих мест. В строительстве станции были использованы основные компоненты, включая солнечные модули и инверторы, от ведущих европейских и азиатских производителей.

«Завершение проекта «Перово» является огромнейшим достижением для Activ Solar, так как будучи крупнейшим реализованным проектом на сегодняшний день, он является доказательством наших организационных и исполнительных возможностей в сложной глобальной экономической среде, заявил Кавэ Эртефай, основатель и Генеральный директор Activ Solar. -- Мы гордимся качеством проделанной работы и стремлением нашей команды в достижении успешного результата в течение короткого периода времени».

В октябре 2011 года, Activ Solar запустила 80 МВт солнечной электростанции в «Охотниково» - крупнейшей солнечной фотоэлектрической установки в Центральной и Восточной Европе. Для получения еще больших преимуществ от роста в регионе, Activ Solar недавно открыла офис в Одессе, Украина. Компания нацелена на «новые солнечные рынки» и планирует дальнейшее развитие крупномасштабных проектов в 2012 году и в последующих периодах.

Калифорнийская компания BrightSource показала фотографии строительства масштабного проекта Ivanpah.

На площади более 14.5 кв. километра разместятся солнечные батареи способные генерировать 370 МВт электроэнергии в солнечные дни.

Строительство станции стоимостью $2,2 млрд. проходит в пустыне рядом с Лас-Вегасом.

Размещено на Allbest.ru