Типы солнечных электростанций и принципы их работы

Экономичность и перспективность использования солнечной радиации в качестве альтернативного источника энергии и стали основными причинами широкого распространения гелиостанций. Их применяют как в промышленных целях, так и в частных секторах. Солнечные панели – не единственный метод использования энергии солнца. Сегодня ее преобразуют несколькими способами, которые и определяют типы солнечных электростанций (СЭС).

СЭС тарельчатого типа

Тарельчатые СЭС состоят из модулей, поэтому такие станции могут применяться не только самостоятельно. Их включают в группы, тем самым повышая мощность до нескольких мегаватт. Система имеет конструкторский характер сборки. Каждый модуль такой электростанции на солнечной энергии состоит из нескольких частей:

• Опоры. Она предназначена для крепления фермы, которая служит основанием для остальных элементов.
• Приемника. Выполняет функцию концентрации солнечных лучей. Приемником может выступать двигатель Стирлинга или парогенератор.
• Отражателя. Используется, чтобы сконцентрировать солнечные лучи в генератор, расположенный прямо перед ним. Именно форма отражателя в виде тарелок дала название таким СЭС. Зеркала расположены на ферме по радиусу. Каждое из них индивидуально настроено.

СЭС тарельчатого типа

Диаметр зеркал может достигать 2 м. Автономные СЭС работают только на одном модуле. Другой вариант конструкции, когда параллельно работают сразу несколько десятков модулей. Подобные станции особенно распространены на территории Нидерландов и в штате Калифорния в США.

СЭС башенного типа

Башенные гелиостанции работают по тому же принципу, что и тарельчатые. Основу системы составляет башня, достигающая в высоту 18-24 м. Ее располагают по центру всей установки. Составляющие башни:

• Резервуар, наполненный водой. Чтобы поглощать максимум солнечного излучения, он покрашен в черный цвет..
• Насосная группа. Образующийся пар нужно доставить на турбогенератор, что и делает насос.

СЭС башенного типа

Вторая составляющая станции – гелиостаты, которые окружают башню. За счет включения в общую систему позиционирования зеркала подстраиваются под положение солнца, меняя свою ориентацию. Температура в резервуаре достигает 700 °C в яркую солнечную погоду, а КПД – 20%.

СЭС с параболическими концентраторами

Электрогенерирующая способность таких СЭС тоже связана с отражательной способностью зеркал. Вместо тарелок в основе конструкции находится параболический цилиндр длиной до 50 м. Его составляют из отдельных модулей. В фокусе такого отражателя расположена трубка, предназначенная для движения жидкого теплоносителя. Чаще всего эту роль выполняет масло. Как работает солнечная электростанция:

1. При прохождении всего пути теплоноситель нагревается, передавая свое тепло воде.
2. Она преобразуется в пар, который направляют на турбогенератор.
3. Устройство преобразует полученную энергию в электричество.

Схема СЭС с параболическими концентраторами

Девять подобных СЭС были построены еще в 80-х годах в Калифорнии. Суммарная мощность установок составила 354 МВт. Но на практике оказалось, что эффективность таких СЭС значительно ниже, чем тарельчатого и башенного типа.

Несмотря на это, гелиостанции с параболическими концентраторами продолжают строиться. Так, в 2016 году подобную установку ввели в эксплуатацию в Марокко. Здесь ее расположили в пустыне Сахара, рядом с Касабланкой. Мощность установки достигла 500 МВт. Ее обеспечивают 0,5 млн зеркал длиной 12 м.

С двигателем Стирлинга

СЭС с двигателем Стирлинга – это разновидность гелиостанций, тоже состоящих из параболических концентраторов. Разница здесь лишь в конструкции, которую помещают в их фокусе. Здесь это именно двигатель Стирлинга, представляющий собой двигатель с маховиком. Система представлена замкнутым рабочим контуром, по которому движется газ или жидкость. В частности, для СЭС применяют водород или гелий.

Главное отличие такой установки – суммарный КПД до 34%. Принцип действия солнечной электростанции:

1. Каждый концентратор благодаря альбедо в 95% отражает солнечные лучи.
2. Они попадают на двигатель, одна из сторон которого за счет этого нагревается.
3. Вторая сторона охлаждается окружающим воздухом, а система в это время двигает поршень Стирлинга туда-сюда, что обеспечивает генерацию до 40 кВт энергии.
4. Часть ее тратится на воздухообмен и перемещение зеркал концентраторов, которые поворачиваются вслед за Солнцем.
5. Вычтя эти затраты, можно получить величину «чистой» генерации в 33 кВт, что и обеспечивает указанный выше КПД в 34%.

Получается, что станция работает за счет колебаний поршня, которые преобразуются в электроэнергию. КПД оказывается примерно в 2 раза выше, чем у обычных гелиотермальных установок. Это обусловлено также и тем, что при сочетании двигателя Стирлинга и концентраторов параболической формы рабочий зазор будет совсем небольшим. В результате затраты на нагрев воздуха между генератором и зеркалом значительно снижаются.

СЭС на фотоэлектрических модулях

СЭС на фотоэлектрических модулях

Фотоэлектрические гелиостанции считают классическими. В их основе лежит применение солнечных батарей и модулей. Если электроснабжение требуется для небольших объектов, применяют модули без кремниевых элементов. Их устанавливают на крышах или участке земли.

Для промышленных объектов предусмотрены более мощные фотобатареи, которые занимают значительные площади. Принцип работы такой гелиоэлектростанции прост. Для получения электричества преобразуют энергию фотонов света. Станция может работать на отдельный насос или снабжать электричеством целый поселок. Все зависит от количества и мощности панелей. Они особенно распространены в частном секторе. Правильно выбрать солнечную батарею для дома совсем несложно.

Аэростатные СЭС

Только аэростатные СЭС собирают до 97% всей солнечной энергии. Их преимуществом считают и то, что они занимают сравнительно небольшую площадь. Основа конструкции – громоздкий баллон аэростата, который располагается в воздухе. Независимо от погоды и времени суток он поглощает все солнечные лучи. Это обеспечивается возможностью поднимать и опускать баллон.

Комбинированные СЭС

Уже из названия понятно, что комбинированные СЭС совмещают в себе разные типы гелиостанций. Часто сочетают между собой солнечные батареи и концентраторы – тарельчатые или параболические. Кроме производства энергии на солнечных электростанциях предусмотрена возможность обеспечения населения горячей водой. Ее нагрев осуществляют за счет дополнительно установленных теплообменных конструкций.

Разнообразие видов солнечных электростанций только подтверждает, что сегодня они активно развиваются. В связи с этим крупные компании продолжают вкладывать в строительство таких установок серьезные инвестиции. Гелиостанции окупают себя за несколько лет и остаются рентабельными в отличие от ископаемых ресурсов, цены на которые постепенно растут.

Существующие виды СЭС продолжают совершенствовать, чтобы устранить их основные недостатки. В будущем это позволит использовать солнечную энергию на полную мощность как в промышленных, так и в гражданских целях.

Автономная солнечная электростанция

Как следует из названия, СЭС данного типа полностью автономны и независимы от внешних централизованных источников питания.

Небольшие по размеру мобильные комплексы очень популярны у автотуристов и любителей активного отдыха, практикующих многодневные пешие походы или плавание по рекам. Более крупные станции чаще всего устанавливаются на дачах и крышах частных домов, где подключение к центральной энергосети невозможно или нецелесообразно.

Что входит в комплект автономной солнечной электростанции

Базовыми составляющими СЭС автономного типа служат:

• набор фотоэлектрических панелей – трансформируют солнечное излучение в электричество;
• инвертор – преобразовывает постоянный ток в переменный с напряжением в 220 вольт;
• аккумуляторные батареи – накапливают и сохраняют излишки генерации для последующего питания устройств дома;
• контроллер заряда – регулирующий заряд/разряд АКБ;
• периферия – вспомогательные элементы системы, включая электронику, крепеж, переходники, кабели и т.д.

Виды автономных СЭС

Мини солнечная электростанция

Представляет собой небольшой по размеру и весу комплект, обладающий высокой мобильностью. Как правило, элементы размещаются в едином корпусе, исполняемом в виде раскладного пояса или чемоданчика. Возможен вариант изготовления отдельной панели с выходными кабелями – например, для зарядки автомобильных аккумуляторов. Мощность — порядка 20-100 Вт для носимых моделей и 200-900 Вт – для транспортируемых в автомобиле. 2

Автономная солнечная электростанция для дома и дачи

Является полноценной системой для выработки электроэнергии сравнительно небольшой мощности – чаще всего 1 – 10 кВт. На первый взгляд это немного. Но даже один киловатт мощности летом на даче сможет обеспечить на протяжении суток работу:

• холодильника – круглосуточно;
• десятка LED ламп, ноутбука и пяти зарядных устройств – 5 часов;
• телевизора – 3 часа;
• электроплиты – 1 час;
• чайника и микроволновки – по 15 минут.

Сетевая солнечная электростанция

Установка станции сетевого типа преследует цель совместить использование электроэнергии из централизованной сети и выработанной панелями. Для домохозяйств, где основное потребление э/э приходиться на светлое время суток это хороший вариант экономии и возможность заработать на солнце на «зеленом тарифе». Согласно принятым в России нормам, в определенных случаях часть выработанной энергии сетевыми СЭС мощностью до 15 кВт можно продавать государству. Наконец, установка такого типа является наиболее дешевой, поскольку дорогостоящие аккумуляторы  и контроллер заряда для сетевой солнечной электростанции не используются.

Схема работы сетевой СЭС

Состав комплекта:

• панели – могут соединяться параллельно, последовательно или комбинированно;
• сетевой инвертор – преобразовывает ток DC/AC, направляет электроэнергию на потребляющие устройства и/или во внешнюю сеть;
• двунаправленный счетчик – ведет учет полученной и отправленной в сеть энергии;
• периферия – в большинстве, аналогичная автономной станции.

Недостатки солнечных электростанций

Электростанции, работающие на солнечной энергии, по сравнению с традиционными источниками обладают рядом минусов:

• Дороговизна отдельных видов станций. Это в основном относится к оборудованию геотермального типа, которое продается только за границей.
• Необходимость использования объемных аккумуляторов с большой емкостью, если потребители нуждаются в использовании электричества ночью.
• Большая энергопотеря. Высокомощные станции преобразовывают лишь 20% от поглощенного солнечного света, а остальное идет на поддержание работы оборудования.

Комплектующие для солнечной электростанции

Для надежной и экономной работы СЭС придется приобрести полный комплект оборудования. Минимальный набор включает в себя:

• солнечные фотомодули;
• инвертор;
• аккумулятор (или аккумуляторная батарея АКБ);
• контроллер.

Кроме того, понадобится периферия – соединительные кабели, разъемы, промежуточные предохранители, электроника для управления и контроля и двунаправленный счетчик для сетевых и гибридных солнечных электростанций.

Солнечные фотомодули

Специалисты различают четыре категории элементов фотовольтаики:

1. Кремниевые монокристаллические.
2. Кремниевые поликристаллические.
3. На основе аморфного кремния.
4. На базе пленок из комбинаций редкоземельных элементов.

Наивысший КПД имеют панели 1-го типа (до 22%). Наивысшая эффективность и годовая выработка, за счет способности извлекать энергию даже из слабого или рассеянного света, принадлежит последнему типу (средний КПД – 17%).

Для поликристаллических элементов применяется кремниевый расплав. Характерная особенность модулей – ярко синий оттенок. Фотоэлементы из поликристаллов обойдут дешевле, чем монокристаллические варианты, но их КПД составляет всего 15-18 % при аналогичной эффективности светового поглощения.

Наиболее доступные и простые в производстве – батареи на основе аморфного кремния. Но КПД таких панелей составляет всего 6-7 %.

У тонкопленочных панелей на базе теллурида кадмия нет равных в уровне производительности. Этот полупроводник способен извлекать энергию из всего спектра излучения – ультрафиолетового, видимого и инфракрасного. Поэтому такие панели можно монтировать на более затененных участках и при больших углах наклона. Общая эффективность использования таких модулей при одинаковой мощности на 20 % превышает кремниевые аналоги.

Инвертор

Инвертор – это основной элемент СЭС, задача которого состоит в преобразовании постоянного тока от фотоэлектрических панелей в переменный, необходимый для работы электронных приборов. При выборе устройства важна его мощность и надежность. Мониторить работу прибора можно удаленно – с помощью компьютера, ноутбука или смартфона.

Инвертор для солнечной электростанции также контролирует работу аккумуляторов, не допуская так называемой обратной разрядки. Это увеличивает срок службы АКБ. Устройство защищает всю остальную технику от перепадов напряжения и перегрузок, которые возникают при запуске оборудования.

Инверторы бывают сетевыми и не сетевыми. Первый вариант передает ток от фотоэлементов сразу в сеть без «посредников», поэтому оборудование достаточно дорогое. Не сетевые инверторы работают в комплекте с аккумуляторами.

Аккумуляторы

Сейчас активно используют две разновидности АКБ – железно-никелевые и свинцово-кислотные. Аккумуляторы на базе свинцовых пластин подразделяют на абсорбирующие, гелевые и тяговые разновидности. Каждому виду присущи свои характеристики, требования к эксплуатации и стоимость. Для систем СЭС большой производительности лучше всего подходят дорогостоящие, но долговечные АКБ. В электростанциях средней ценовой категории рекомендуются гелевые варианты. Самый дешевый, но недолговечный выбор – свинцово-кислотные автомобильные накопители энергии.

Контроллер заряда

Между аккумулятором и солнечной панелью располагается контроллер. Наиболее распространенными являются МРРТ и ШИМ устройства. Отличительной особенностью первого варианта является возможность поиска точки оптимальной мощности, тогда как ШИМ-контроллеры только поддерживают постоянное напряжение заряда АКБ.

Ассортимент выбора этих устройств достаточно разнообразный – от простых элементов, автоматически отключающих и включающих панели, до сложных приборов с функцией увеличения показателей при низкой инсоляции. Когда аккумулятор полностью заряжается, контроллер снижает напряжение, чтобы предотвратить перезарядку.

Используемые источники:

altenergiya.ru, teplo.guru, greentechtrade.com.ua, mywatt.ru, www.gigavat.com, sovets24.ru