Классическим примером использования солнечного излучения для производства тепловой и электрической энергии являются солнечные электростанции (СЭС).
По способу производства тепла СЭС подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.
Мировым лидером в области использования соленых солнечных прудов является Израиль. Израильская компания Ormat Systems Inc установила несколько таких систем в акватории Мертвого моря.
Принцип действия солнечного пруда заключается в создании разности температур на поверхности и дне водоема, достаточной для приведения в действие турбины, вращаемой теплоносителем в замкнутом цикле Ренкина. Самая крупная СЭС на основе солнечного пруда имеет мощность 5 МВт. Площадь пруда при этом составляет около 20 га.
Крупнейшим в США является солнечный пруд площадью 0,3 га в Эль-Пасо (штат Техас). Температураводы придонной зоны достигает 90°С, и ее энергии достаточно для приведения в действие электрического генератора мощностью 70 кВт и опреснительной установки объемом 20 000 л в день.
Основным фактором, сдерживающим развитие подобных технологий, является низкий КПД преобразованиясолнечной энергии в электрическую – около 1%.
Более перспективным направлением развития СЭС является применение солнечных концентраторов, способных превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15%.
По способу концентрации солнечной энергии современные технологии подразделяются на параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа (см. рис.12.) [9].
а б в
Рисунок 12.1 – Основные типы солнечных концентраторов:
а – башенная система; б – параболическая (лотковая система; в – тарельчатая система
Первая и, к сожалению, единственная солнечная электростанция на территории СССР построена в 1987 году в Крыму. Это СЭС башенноготипа (см. 12.2).
Рисунок 12.2 – «Солар-1». Первая и последняя солнечная электростанция в СССР
На башне установлен котел, на котором фокусируется солнечное излучение, собираемое с нескольких гектаров земной поверхности зеркалами-гелиостатами. Гелиостаты отслеживают движение Солнца по небосводу. Зеркала каждого гелиостата площадью в несколько квадратных метров направляют солнечные лучи на стенки теплообменника котлоагрегата, в котором вырабатывается пар с температурой до 510°С. По паропроводу пар направляется в машинный зал, где электроэнергия производится в традиционном паротурбинном цикле. Установка имеет накопитель теплоты – емкость объемом в несколько тысяч кубических метров, заполненную щебнем, который нагревается «острым» паром в часы максимума интенсивности солнечного излучения и отдает теплоту после захода Солнца [30].
К сожалению, при проектировании Крымской СЭС «Солар-1» допущены серьезные ошибки, из-за чего стоимость 1 кВт установленной мощности станции более чем в 10 раз превышает характерную для традиционных установок.
Удачным примером использования подобных технологий может служить башенная электростанция мощностью 10 МВт Solar Two в Калифорнии, введенная в эксплуатацию в апреле 1996 года (см. рис. 12.3). Солнечное тепло станции сохраняется в расплавленной соли при температуре 550°С, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, сохраняя запас тепловой энергии от 3 до 13 часов.
Рисунок 12.3 – СЭС башенного типа Solar Two в Калифорнии
Стоимость одного киловатта установленной мощности снижена по сравнению с «Солар-1» в 4 раза, себестоимость киловатт-часа произведенной энергии приблизилась к характерной для угольных станций.
Для башенных СЭС характерны высокие капитальные затраты, главным образом из-за высокой стоимости автоматизированных зеркал-гелиостатов. Экономичнее оказалось другое техническое решение, реализованное в 80-х годах в Южно-Калифорнийской пустыне фирмой Luz International, США. В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель (см. рис. 12.4). 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. Таким образом, таким СЭС башня с баком-парогенератором не нужна. Для повышения эффективности параболические зеркаламогут комплектоваться системой слежения за Солнцем или быть стационарными.
Рисунок 12.4 – СЭС с параболическими концентраторами
Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (в американском штате Калифорния), имеют 354 МВт установленной мощности и образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии.
На СЭС «Альмерия» (Испания) в качестве теплоносителя первого контура парогенератора на вершине солнечной башни используется жидкий натрий, во втором контуре – обычная вода. В варианте СЭС, разработанном в Германии, солнечные лучи нагревают до 800°С сжатый воздух, который приводит в действие газовую турбину. Теплота отработавшего в газотурбинной установке воздуха затем используется в паротурбинном цикле. В итоге повышается КПД использования теплоты солнечных лучей.
Ряд паротурбинных СЭС различной мощности построен во Франции и в Италии. Разрабатываютсяпроекты СЭС с замкнутыми газотурбинными установками, в которых рабочим телом является гелий. Параметры гелиевого теплоносителя перед турбиной: температура около 600°С, давление 0,8 МПа; проектный КПД установок – около 25% [30].
СЭС тарельчатого типа 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 двигатель-генераторе, соединенном с приемником (см. рис.12.5) [9].
Рисунок 12.5 – СЭС с концентраторами тарельчатого типа
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 автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.
Стоимость электроэнергии, произведенной тепловыми солнечными электростанциями, зависит от множества факторов: капитальные и эксплуатационные затраты, расходы на техническое обслуживание, установленная мощность оборудования. В настоящее время она существенно выше, чем у произведенной по традиционным технологиям, использующим органическое топливо. Однако стремительное сокращение запасов органического топлива и его неизбежное удорожание, при постоянном совершенствовании технологий солнечной тепловой энергетики, определяют широкомасштабное использование СЭС уже в ближайшей перспективе. К тому же СЭС обладают огромным потенциалом, недоступным традиционным энергоносителям.
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.