Для преобразования энергии солнечной радиации, или иными словами - солнечного тепла и света, в электрическую энергию, уже многие годы во многих странах мира используют солнечные электростанции. Это инженерные сооружения различных конструкций, работающие на различных принципах, в зависимости от типа электростанции.
Если кто-то, слыша сочетание «солнечная электростанция», представляет себе устланную солнечными панелями обширную площадь, то в этом нет ничего удивительного, ибо данный тип электростанций, называемых фотоэлектрическими, очень популярен сегодня во многих домашних хозяйствах. Но это — не единственный тип солнечных электростанций.
Все известные сегодня солнечные электростанции, генерирующие электричество в промышленных масштабах, подразделяются на шесть типов: башенные, тарельчатые, фотоэлектрические, параболоцилиндрические концентраторные, солнечно-вакуумные и комбинированные. Рассмотрим же подробно каждый тип солнечных электростанций, и обратим внимание на конкретные сооружения в разных странах мира.
Башенные электростанции
Башенная солнечная электростанция [solar power plant) — Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне преемник энергии солнечного излучения.
В основе башенных электростанций изначально лежал принцип испарения воды под действием солнечного излучения. Водяной пар здесь используется в качестве рабочего тела. Расположенная в центре такой станции башня, имеет на вершине резервуар с водой, который окрашен в черный цвет для наилучшего поглощения как видимого излучения, так и тепла. Кроме этого в башне имеется насосная группа, функция которой — доставлять воду в резервуар. Пар, температура которого превышает 500 °C, вращает турбогенератор, расположенный на территории станции.
Для того, чтобы максимально возможное количество солнечной радиации сконцентрировать на вершине башни, вокруг нее устанавливают сотни гелиостатов, функция которых — направлять отраженное солнечное излучение точно на емкость с водой. Гелиостаты представляют собой зеркала, площадь каждого из которых может достигать десятков квадратных метров.
Гелиостат [heliostat] - Плоский или фокусирующий зеркальный элемент оптической концентрирующей системы, имеющий индивидуальное устройство ориентации для направления отраженной прямой энергии солнечного излучения на приемник солнечного излучения.
Закрепленные на опорах, оснащенных автоматической системой фокусировки, все гелиостаты направляют отраженное солнечное излучение точно на вершину башни, на резервуар, поскольку позиционирование работает в соответствии с движением солнца в течение дня.
В самый жаркий день температура получаемого пара может доходить до 700 °C, и этого более чем достаточно для нормальной работы турбины.
Так, например, в Израиле, на территории пустыни Негев, ко концу 2017 года завершится возведение башенной электростанции мощностью более 121 МВт. Высота башни составит 240 метров (самая высокая в мире солнечная башня на момент строительства), а вокруг нее будет расположено пол сотни тысяч гелиостатов, позиционироваться которые будут посредством управления через Wi-Fi. Температура пара в резервуаре будет достигать 540 °C. Проект стоимостью 773 миллиона долларов покроет 1% потребностей Израиля в электроэнергии.
Вода — не единственное, что может нагреваться солнечным излучением в башне. Например, в Испании в 2011 году ввели в эксплуатацию солнечную электростанцию башенного типа Gemasolar, в которой нагревается жидкий теплоноситель на основе соли. Это решение позволило сохранять тепло даже в ночное время.
Разогретая до 565 °С соль поступает в специальный резервуар, затем передает тепло парогенератору, который вращает турбину. Вся система обладает номинальной мощностью 19,9 МВт, и способна подать 110 ГВт-ч электрической энергии (в среднем за год) для питания сети из 27500 домовладений, круглосуточно работая в полную силу в течение 9 месяцев.
Тарельчатые электростанции
Принципиально электростанции данного типа похожи на башенные, однако конструктивно отличаются. Здесь используются отдельные модули, каждый из которых генерирует электричество. Модуль включает в себя и отражатель, и приемник. На опоре устанавливается параболическая сборка из зеркал, формирующих отражатель.
Зеркальный концентратор [mirror booster] - Концентратор солнечного излучения, имеющий зеркальное покрытие. Зеркальный фацетный концентратор [mirror faceted concentrator] - Зеркальный концентратор солнечного излучения, состоящий из отдельных зеркал плоской или криволинейной формы, образующих общую отражающую поверхность.
В фокусе параболоида расположен приемник. Отражатель состоит из десятков зеркал, каждое из которых индивидуально настроено. Приемником же может быть двигатель Стирлинга, совмещенный с генератором, либо резервуар с водой, которая превращается в пар, а пар вращает турбину.
Так например, в 2015 году компания Ripasso, Швеция, испытала в Южной Африке параболическую гелеотермальную установку с двигателем Стирлинга в фокусе. Отражатель установки представлял собой параболическое зеркало, состоящее из 96 частей, и общей площадью 104 квадратных метра.
В фокусе располагался водородный двигатель Стирлинга, оснащенный маховиком, и сопряженный с генератором. Тарелка медленно поворачивалась вслед за солнцем в течение дня. В результате КПД получился 34%, и каждая такая «тарелка» оказалась способной давать потребителю 85 МВт-ч электроэнергии в год.
Справедливости ради отметим, что в фокусе «тарелки» солнечной электростанции данного типа может располагаться и емкость с маслом, тепло от которого может передаваться парогенератору, который, в свою очередь, вращает турбину электрогенератора.
Параболоцилиндрические концентраторные солнечные электростанции
Здесь снова теплоноситель нагревается сконцентрированным отраженным излучением. Зеркало в форме параболического цилиндра, до 50 метров в длину, располагается в направлении север-юг, и вслед за движением солнца вращается. В фокусе зеркала закреплена трубка, по которой движется жидкий теплоноситель. После того, как теплоноситель достаточно разогрелся, в теплообменнике тепло передается воде, где пар опять же вращает генератор.
Параболоцилиндрический концентратор (parabolic trough concentrator] - Зеркальный концентратор солнечного излучения, форма которого образована параболой, перемещающейся параллельно самой себе.
В 80-е годы в Калифорнии, компания Luz International построила 9 таких электростанций, их общая мощность составила 354 МВт. Однако, после нескольких лет практики, специалисты пришли к заключению, что на сегодняшний день параболоцилиндрические электростанции уступают как по рентабельности, так и по эффективности солнечным электростанциям башенного и тарельчатого типов.
Несмотря на это, в 2016 году в пустыне Сахара, неподалеку от Касабланки, была открыта электростанция на солнечных концентраторах, мощностью 500 МВт. Полмиллиона 12 метровых зеркал разогревают теплоноситель до 393°С, чтобы превратить воду в пар для вращения генераторных турбин. Ночью тепловая энергия продолжает работать, будучи сохраненной в расплавленной соли. Таким путем государство Морокко планирует постепенно решать проблему экологически чистого электроснабжения.
Фотоэлектрические электростанции
Станции на базе фотоэлектрических модулей, солнечных батарей. Весьма популярны и распространены в современном мире. Модули на базе кремниевых элементов широко применяют для электроснабжения небольших объектов, таких как санатории, частные коттеджи и другие здания, где из отдельных частей набирают станцию необходимой мощности, и устанавливают ее на крыше или на участке земли подходящей площади. Промышленные же фотоэлектрические станции способны обеспечить электроснабжение небольших городов.
Солнечная электростанция (СЭС) [solar power plant] - Электростанция, предназначенная для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.
Например в России, в 2015 году была запущена самая крупная фотоэлектрическая электростанция в стране. Солнечная электростанция имени Александра Влазнева, состоящая из 100000 солнечных панелей, общей мощностью 25 МВт, расположилась на площади в 80 гектаров между городами Орском и Гаем. Мощности станции достаточно, чтобы снабдить электроэнергией пол города Орска, включая предприятия и жилые дома.
Принцип действия таких станций прост. Энергия фотонов света преобразуется в ток в кремниевой пластине, внутренний фотоэффект в этом полупроводнике давно изучен и взят на вооружение производителями солнечных батарей. Но кристаллический кремний, дающий КПД 24% - не единственный вариант. Технология непрерывно совершенствуется. Так, еще в 2013 году инженеры компании Sharp добились от индиево-галлий-арсенидного элемента КПД 44,4%, а применение фокусирующих линз позволяет добиться всех 46%.
Солнечно-вакуумные электростанции
Абсолютно экологически безопасный тип солнечных станций. В качестве принципа используется естественный поток воздуха, возникающий благодаря перепаду температур (воздух у поверхности земли разогревается, и устремляется вверх). Еще в 1929 году во Франции была запатентована эта идея.
Сооружается оранжерея, представляющая собой накрытый стеклом участок земли. Из центра оранжереи выступает башня, высокая труба, в которой установлена турбина генератора. Солнце разогревает оранжерею, и воздух устремляясь через трубу вверх, вращает турбину. Тяга сохраняется постоянной, пока солнце разогревает воздух в закрытом стеклом объеме, и даже ночью, пока поверхность земли сохраняет тепло.
В 1982 году, в 150 километрах к югу от Мадрида, в Испании, была построена экспериментальная станция такого типа. Парник имел диаметр 244 метра, а труба была 195 метров в высоту. Максимально развитая мощность получилась всего 50 кВт. Несмотря на это турбина работала в течение 8 лет, пока не вышла из строя из-за ржавчины и штормовых ветров. В 2010 году в Китае завершили строительство солнечно-вакуумной станции, которая смогла дать 200 кВт. Она заняла площадь 277 гектаров.
Комбинированные солнечные электростанции
Это те станции, где к теплообменникам подключают коммуникации горячего водоснабжения, отопления, в общем нагревают воду для различных нужд. К комбинированным станциям относятся и совмещенные решения, когда параллельно солнечным батареям работают концентраторы. Часто комбинированные солнечные электростанции оказываются единственным решением для альтернативного электроснабжения и отопления частных домов.