Солнце является основным источником всех видов получаемой на нашей планете энергии. В настоящее время пристальное внимание уделяется прямому использованию солнечной энергии. Солнце излучает ежесекундно 370×1012 ТДж теплоты. Из этого количества на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2×105 ТВт, т.е. за год 38×1020 кВт×ч, или в 108 раз больше, чем сегодня потребляется в мире. При определении практической целесообразности использования солнечной энергии исходят из того, что максимальная плотность энергии солнечного излучения достигает 1 кВт/м2. Однако такая плотность имеет место в течение 1–2 часов в разгар летнего дня в экваториальных широтах. В большинстве районов планеты средняя плотность энергии солнечного излучения составляет 200…300 Вт/м2.
Основное направление утилизации солнечной теплоты базируется на использовании схем с концентрированием солнечной энергии посредством зеркал или линз. Существует много способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Эффективным для большой энергетики является паротурбинный способ, аналогичный применяемому на обычных ТЭС. При этом используются два типа солнечных электростанций (СЭС): башенные СЭС и СЭС с солнечными прудами.
Солнечные электростанции башенного типа. В районах с большим числом солнечных дней в году целесообразно сооружение солнечных электростанций (СЭС) башенного типа (рис. 10).
Размещенные на большой площади (рис. 11) фокусирующие элементы (гелиостаты) улавливают солнечные лучи и концентрируют их, направляя на паровой котел, установленный на вершине башни. При высоте башни 200…300 метров мощность такой станции может достигать 100 МВт при КПД, равном 17%.
|
|
Прерывистый характер солнечной радиации приводит к тому, что она не может использоваться как гарантированный источник электроэнергии. Для повышения надежности электроснабжения в технологическую схему СЭС включают аккумулятор энергии. Как правило, осуществляется аккумулирование теплоты. При этом используется две схемы накопления тепловой энергии: последовательная; параллельная.
В первой схеме тепловой накопитель располагается между приемником и теплообменником. Нагретый в теплоприемнике теплоноситель расходуется на выработку электроэнергию и загрузку аккумулятора. При отсутствии солнечной радиации необходимая теплота передается рабочему телу от аккумулятора.
Во второй схеме заряд аккумулятора обеспечивается отведением части нагретого рабочего тела, а связь с турбоустановкой осуществляется без промежуточных устройств.
Потери при преобразовании энергии солнечного излучения в ЭЭ складываются из геотермических потерь, зависящих от угла падения и затенения, потерь на отражение и поглощение, тепловых потерь в приемнике и теплоаккумуляторе.
Солнечные пруды. Другой способ использования солнечной энергии основан на том, что в водоем на различных уровнях вводится разное количество солей. При этом создаются слои (страты) солевого раствора с неодинаковой концентрацией и плотностью. Нижние слои, имеющие более высокую концентрацию и плотность, нагреваются под действием солнечной радиации более интенсивно. Технологическая схема использования возникающего температурного градиента проста: горячая вода (60–90 °С) из нижних слоев подается в теплообменник и используется для испарения жидкости с низкой температурой кипения (фреон, пропан, аммиак). Пары этой жидкости приводят во вращение турбоагрегат.
|
|
Фотоэлектрические электростанции. В фотоэлектрических станциях используется явление фотоэффекта, который подразделяется на три вида:
внешний фотоэффект, представляющий собой вырывание электронов из поверхности металла под действием светового потока;
внутренний фотоэффект – изменение электропроводности полупроводников и диэлектриков под действием света;
фотоэффект запирающего слоя, заключающийся в следующем. При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n – типа) и дырочную (р – типа) проводимости, на границе раздела образуется контактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов. Если полупроводник р – типа освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят в полупроводник с электронной проводимостью.
Для энергетических целей применим последний вид фотоэффекта. Устройства, реализующие данный вид фотоэффекта, называются фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП).
Для снижения стоимости ФЭП и повышения их общей эффективности используются различные системы концентрирования солнечного излучения: полимерные оптические линзы; линзы Френеля с точечной фокусировкой.
Стратегия развития солнечной энергетики в России базируется на следующих положениях. Ближайшим этапом должно явиться опытно-промышленное освоение данной технологии производства электроэнергии, для чего необходимо проектирование и сооружение двух-трех экспериментальных и промышленных СЭС мощностью 1…3 МВт в различных регионах страны. В частности, целесообразно возобновление работ на экспериментальной Кисловодской солнечной фотоэлектрической станции, для которой выполнено технико–экономическое обоснование. Наиболее перспективны по климатическим условиям для строительства СЭС Нижнее Поволжье, Северный Кавказ, Южное Забайкалье, юг Хабаровского края и Приморский край. Среднегодовое число часов работы СЭС различных типов в этих районах составит: 1700…2500 часов в год для тепловых и фотоэлектрических станций с концентраторами солнечного излучения и 2000…3000 часов для СЭС с ФЭП без концентрации солнечной радиации.
|
|
В период до 2015 г. на основе полученного опыта целесообразно создание и освоение 1 или 2 СЭС мощностью 10…20 МВт.
Космические солнечные системы. Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (приблизительно 0,15 МВт×ч на 1 м2 поверхности в год), затруднительно использовать из-за низкой плотности солнечной радиации и зависимости ее интенсивности от облачности и времени года. В настоящее время имеются технические возможности для создания СЭС, размещаемых на искуственных спутниках Земли с геостационарной орбитой. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться непрерывно. Передача энергии на Землю должна осуществляться по сверхвысокочастотному (СВЧ) каналу с длиной волны 10 см (частота 2,4 ГГц).
Космические солнечные электростанции могут быть спроектированы на полезную электрическую мощность 3…20 ГВт. Размеры КСЭС с выходной мощностью 5 ГВт оцениваются следующим образом:
суммарная поверхность батареи …………… 20 км2;
диаметр передающей антенны ……………… 1 км2;
диаметр приемной антенны ………………… 7 …12 км.
Солнечная батарея КСЭС может построена на ФЭП двух типов:
на основе кремния:
на основе арсенида галлия.
При использовании указанных ФЭП общая масса КСЭС мощностью 5 ГВт составит более 12000 тонн. Следует отметить, что кремниевые преобразователи достаточно дороги, так как производство монокристаллов высокой чистоты очень трудоемко. Галлиевые преобразователи имеют более высокий КПД, однако их применение ограничивается низким уровнем запасов галлия в природе, а также трудностью его добычи и переработки.
Кроме фотоэлектрического способа получения электроэнергии на КСЭС разрабатываются проекты космических станций с другими принципами преобразования энергии:
газо и паротурбинные:
на основе МГД – генераторов;
термоэмиссионные;
термоэлектрические.
Наибольшее распространение получили проекты, использующие традиционные паро- и газотурбинные замкнутые схемы. Основные их достоинства состоят в более высоком, чем у ФЭП коэффициенте полезного действия (до 40% против 14–16%), хорошо разработанных технологиях, наличии развитой промышленной базы для изготовления основных агрегатов.
Процесс производства ЭЭ включает следующие стадии. С помощью концентраторов в форме параболоидов вращения собирается солнечный свет и направляется на теплоприемник. В качестве рабочего тела используется инертный газ (например, аргон), который при температуре 1000…1300 К вращает турбину. Отработанный газ охлаждается в рекуператоре и вновь подается в теплоприемник. Общий КПД всей установки составляет 18%. Удельная масса на 1 кВт мощности равна 12 кг, что почти в два раза меньше чем у КСЭС с ФЭП. Основной недостаток рассмотренной схемы состоит в наличии вращающихся узлов, что снижает эксплуатационную надежность установки, а это в условиях космоса имеет первостепенное значение. Данный недостаток может быть устранен путем применения МГД – генераторов. При этом из-за низких космических температур упрощается применение сверхпроводящих обмоток электромагнитов, а почти абсолютный вакуум облегчает условия герметизации.
Стадию преобразования солнечной энергии в электрическую можно исключить путем преобразования света в энергию монохроматического излучения (излучение одной определенной частоты). Однако, данный способ пока недостаточно хорошо проработан.
Для преобразования выработанной в космосе энергии в СВЧ излучение предполагается использовать усилители двух типов:
амплитроны – усилители со скрещенными полями;
клистроны – усилители на линейных пучках.
Применяемая длина волны (10–12 см) достаточно велика, что приводит к существенной расходимости пучка. Поэтому требуется сооружение наземных приемных антенн (ректенн), занимающих большие площади. Для приема 5 ГВт требуется ректенна с диметром до 12 км. Кроме приема СВЧ излучения, ректенна должна преобразовывать его в постоянный ток, для чего требуются миллионы диодных элементов. При этом, общая площадь ректенны достигает 250–270 км2. Для того чтобы исключить изъятие таких огромных площадей из землепользования, предполагается приподнимать решетку ректенны над земной поверхностью.
Недостаточно проработаны в настоящее время экологические аспекты строительства и эксплуатации КСЭС. Например, возможны неблагоприятные изменения картины распределения заряженных частиц в атмосфере из-за воздействия СВЧ – пучка, что приведет к возникновению помех в радиосвязи. Кроме того, СВЧ – излучение интенсивно поглощается молекулами воды и кислорода, что может вызывать локальный нагрев воздуха.