Тепловые солнечные электростанции

Было бы ошибочным полагать, что солнечное электричество можно получать только прямым преобразованием солнечного света с помощью фотоэлектрических панелей. Конечно, это очень заманчиво – без каких-либо промежуточных элементов и механизмов сразу получать электрический ток, который генерируют солнечные батареи. Тем более, что современные технологии изготовления этих батарей позволяют получать коэффициент полезного действия до двадцати процентов. На этой элементной базе строятся мощнейшие электростанции. Так, например, в США, в Калифорнии, работают сразу три станции мощностью более 550 мегаватт каждая.

Солнечная электростанция Topaz в Калифорнии. Мощность 550 мегаватт

В Северной Сахаре, на территории Туниса, в рамках проекта Desertec Industrial Initiative планируется возвести гигантский комплекс солнечных электростанций комбинированного типа общей мощностью в несколько гигаватт. Эти электростанции должны обеспечить до 15 процентов потребности Европы в электроэнергии.

Причем электричество в Европу должно будет передаваться по подводному Средиземноморскому кабелю сверхвысокого напряжения. Мощные фотоэлектрические станции построены на юге Испании. Сейчас повсеместно изыскиваются возможности для возведения систем альтернативной энергетики, экологически чистой, с максимально возможной полезной отдачей.

Проект Desertec Industrial Initiative

Кроме гелиевых установок, работающих на фотоэлементах, широкое распространение получили тепловые электростанции, использующие энергию солнечного излучения. Солнечные лучи, собранные в единый пучок, являются тем источником тепла, от которого работают гелиевые тепловые энергетические установки всех типов. Принципы работы этих электростанций различны, но всех их объединяет одна общая черта – абсолютно экологически чистое производство электроэнергии.

Башенные солнечные тепловые электростанции

Эти электростанции называются так потому, что в центре их установлена энергетическая башня, высота которой может достигать тридцати метров. В этой башне, в ее верхней точке, расположен резервуар с водой. Для того чтобы обеспечить максимальное поглощение тепловой энергии солнца, этот резервуар покрывается черной термостойкой краской. Сам резервуар выполняется из жаропрочного металла. Ниже резервуара располагается система насосов, которая подает вырабатываемый пар на турбины.

Башенная солнечная электростанция в Испании

Вокруг башни концентрическими кругами расположены так называемые гелиостаты – зеркала. Одно такое зеркало имеет отражательную поверхность в несколько квадратных метров. Каждое зеркало закреплено на отдельной опоре с поворотным механизмом. Поворотные механизмы всех гелиостатов синхронизированы и управляются общим командным боком. Это самая сложная часть электростанции. Сложная потому, что она должна обеспечить точное позиционирование на солнце всех без исключения зеркал с таким расчетом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно попадали точно на установленную в башне емкость с водой.

Башенная электростанция близ Севильи (Испания)

В безоблачный солнечный день резервуар прогревается так, что температура внутри его поднимается до 700°С. Перегретый пар подается насосами на турбины, которые вращают генераторы, вырабатывающие электрический ток. Поскольку режимы работы гелиевой тепловой установки и температурный диапазон мало чем отличаются от аналогичных показателей обычных ТЭС, то в них применяются стандартные турбогенераторы, выпускаемые серийно. При этом солнечные электростанции дают на выходе более высокую мощность и показывают достаточно высокий КПД – до 20%.

Тарельчатые солнечные электростанции

Принципиально эти солнечные тепловые электростанции мало чем отличаются от электростанций башенных. Тот же отражатель, тот же приемник – резервуар с водой. Отличия заключаются в конструкции станции. Такая установка строится по модульному принципу. Чем больше модулей, тем больше мощность.

Каждый модуль представляет собой опору, на которой устанавливается одно или несколько зеркал, выполненных в форме тарелки (поэтому и название – «тарельчатая»).

Диаметр каждого зеркала не превышает двух метров. Количество зеркал в модуле зависит от того, на какую мощность рассчитана станция, и может быть от одного до нескольких десятков. Каждый модуль оборудован индивидуальной системой позиционирования на солнце. Эти системы позиционирования управляются с общего следящего устройства.

Тарельчатая солнечная электростанция

В зависимости от конструкции, в таком модуле может быть один приемник, общий для всех зеркал. В этом случае все зеркала должны быть тщательным образом отъюстированы так, чтобы их фокусы сходились в одной точке. Другой вариант – каждое зеркало имеет свой собственный приемник, располагающийся в фокусе этого зеркала. Этот приемник и в первом, и во втором случае представляет собой резервуар с жидкостью. Отличие только в размерах. Температура жидкости в приемнике может достигать 1000°С.

Тарельчатая электростанция Hubert Klein (Германия)

Приемник соединяется с небольшим турбогенератором, который вырабатывает электроэнергию. Для автономного электроснабжения небольшого коттеджа, дачи, подсобного хозяйства, даже нескольких небольших домов вполне достаточно одного такого модуля. Для использования этого типа электростанций в промышленных масштабах в общую сеть включаются сотни, тысячи таких модулей, что позволяет получать мощность, достаточную, чтобы обеспечить электричеством промышленные предприятия, небольшие населенные пункты.

Солнечные электростанции на параболоцилиндрических концентраторах

Если башенные и тарельчатые солнечные тепловые электростанции относятся к одноконтурным установкам (пар из приемников поступает непосредственно на турбогенераторы), то электростанции на параболоцилиндрических концентраторах относятся к разряду двухконтурных. В электростанциях этого типа рабочим является теплоноситель, который затем отдает свое тепло парообразующей среде.

Конструктивно эти электростанции выполнены следующим образом. На бетонных или металлических опорах установлены сотни, тысячи параболоцилиндрических зеркал, имеющих в длину десятки, а то и сотни метров. Ориентированы эти параболоиды таким образом, чтобы принимать максимально возможную энергию солнечного излучения. В фокусе этих парабол устанавливается трубка со светопоглощающим покрытием, по которой циркулирует теплоноситель.

Параболоцилиндрическая солнечная электростанция в Калифорнии

Чаще всего в качестве теплоносителя используется масло. Этот теплоноситель, проходя весь длинный путь по зоне нагрева в параболоидах, поступает в теплообменник. Температура теплоносителя настолько высока, что вода в теплообменнике очень быстро превращается в пар, который затем поступает в турбогенератор. А электричество, вырабатываемое турбогенератором, уже вливается в общую сеть.

Солнечные электростанции на двигателях Стирлинга

В последнее время вторую жизнь обрели двигатели Стирлинга. Запатентованные еще в 1816 году, эти двигатели сейчас получают самое широкое распространение. Экологически чистые, без каких-либо выбросов в атмосферу, работающие практически бесшумно и от любых внешних источников тепла, они поставлены сейчас на службу в солнечных тепловых электростанциях.

Гелиевые установки, созданные на базе двигателей Стирлинга, строятся по модульному принципу, так же, как и тарельчатые электростанции. Только в этом случае вместо приемников с жидкостью в фокусе параболических зеркал устанавливаются двигатели Стирлинга.

Модуль электростанции на базе двигателей Стирлинга

Для использования этих двигателей в качестве одного из основных компонентов электростанции потребовалось их усовершенствование. После соответствующих модернизаций стало возможным преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня в электричество без промежуточных кривошипно-шатунных механизмов. Тем самым была достигнута очень высокая эффективность тепловой солнечной электростанции. В некоторых случаях этот показатель эффективности превышал 31%.

Комбинированные солнечные электростанции

Несмотря на достаточно высокую эффективность гелиевых тепловых установок, конструкторы с сожалением были вынуждены констатировать, что значительная часть световой и тепловой энергии на этих станциях теряется впустую. Чтобы в какой-то мере компенсировать потери, на этих электростанциях устанавливают дополнительное оборудование, например, теплообменники, которые могут снабжать потребителей горячей водой. Кроме того, параллельно концентраторам могут быть установлены также солнечные батареи, что позволяет получить дополнительные электрические мощности.

Гелиоэнергетика быстрыми темпами входит в нашу повседневную жизнь. Конечно, солнечные электростанции не могут пока заменить традиционные энергетические установки. Но помочь уменьшить вредное воздействие на окружающую среду – это солнечным электростанциям вполне под силу.