Солнечные электростанции

Наша звезда, центр солнечной системы – идеальный источник энергии. Его характеризует предсказуемый среднестатистический поток мощности, долгий стабильный период работы и прочие показатели, которые обычный человек редко применяет для описания светила. Благодаря современным технологиям, строительство солнечных станций промышленного уровня стало не просто возможным, но и относительно рентабельным.

Принцип работы солнечных электростанций современного класса основан как на опробованных технологиях, так и на прямом преобразовании энергии. От выбранного принципа зависит стоимость энергии, а также преимущества и недостатки конкретного инженерного решения.

Проверенные принципы в башенной станции

Сегодня для получения энергии во всех без исключения станциях (тепловых, геотермальных, приливных, гидро, атомных) используется один принцип. Генерация потока заряженных частиц в результате движения проводника в меняющемся магнитном поле. Все генераторы действуют на этом принципе, используются, если рассматривать любой работавший в реальности проект.

Поэтому для разработки СЭС (солнечных электрических станций), самых старых по времени проектов, решено было использовать проверенные технологии, а энергию – звезды, которой хватит очень надолго, чтобы использовать в качестве источника тепла.

Проекты, которые реализуются сегодня, представляют собой следующее инженерное решение:

• в центре станции, которая занимает большую площадь, расположена высокая башня;
• от нее кругами с увеличением диаметра устанавливаются отражающие поверхности – зеркала;
• свет солнца концентрируется на вершине башни, где расположен теплообменник;
• теплоноситель после нагрева производит передачу энергии воде или газу, которые затем приводят в действие газотурбинный генератор или газопоршневой двигатель.

На сегодня солнечные электростанции такого типа являются классическим решением. В них обеспечивается высокий уровень надежности и предсказуемые расходы на обслуживание. На сегодня построено несколько подобных станций.

Распределенная станция преобразования

Солнечные электростанции, которые работают на принципе нагрева теплоносителя энергией солнца, не всегда имеют центральную нагревательную башню. Позже остановимся на причинах, которые обусловили работу над усовершенствованием конструкции системы преобразования. Следующим шагом выступили распределенные станции нагрева. Они устроены несколько иначе.

1. Зеркала не плоские. Это половинки цилиндра, по оси которого, в фокусной зоне, проходят трубки циркуляции теплоносителя.
2. Площадь станции может быть любой, в отличие от конструкционного решения башенного типа, где при удалении от башни эффективность работы отражающих плоскостей падает.
3. Уровень опасности техногенных катастроф меньше, поскольку сеть подачи теплоносителя сегментируется и при авариях определенные зоны станции могут быть изолированы.
4. Отказоустойчивость распределенного решения, которую имеют распределенные солнечные электростанции теплового класса, выше башенных. При отказе отдельных зон нагрева систему не нужно останавливать – теплоноситель продолжает получать энергию в рабочих секторах.

Автономная солнечная электростанция распределенного типа уже показала свою надежность и эффективность, а также большую экономическую рентабельность. Несколько подобных проектов реализованы в пустынях Америки. Есть также входящая в топ 10 крупнейших по величине станция в Китае, которая именуется солнечной гидроэлектростанцией.

Отличия башенных станций от распределенных

Рациональность строительства, которую имеют солнечные тепловые электростанции, характеризуется множеством факторов. При этом оценивается:

1. Стоимость строительства

Финансовые вложения на сооружение станции башенного типа и распределенной примерно одинаковы. Главная часть – системы преобразования, энергогенераторы, трансформаторы, контрольное оборудование. Однако при росте плановой мощности производства распределенные станции выглядят привлекательнее. Прирост вложений – арифметическая прогрессия.

На получение определенных киловатт потребуется четко обозначенное количество зеркал и труб. Башенные станции не имеют такой привилегии. Здесь прогрессия геометрическая. Чем шире круг, тем больше в нем зеркал, систем управления, контроля. Поэтому каждый следующий прирост плановой мощности станции означает резкий рост стоимости в сравнении с предыдущим.

2. Цена эксплуатации

В общую сумму постоянных расходов входит стоимость плановой замены генераторов, преобразователей, запчасти, зарплата персонала. Здесь башенные станции на определенном этапе резко сдают позиции. Привод зеркал подразумевает две степени свободы – горизонталь и вертикаль, чтобы отслеживать движение солнца. Это означает сложную механику и привод, который чаще ломается, требует больше персонала для обслуживания, запасных частей.

3. Энергоэффективность

По показателю энергоэффективности проекты башенных солнечных станций выигрывают по всем статьям. Они способны буквально выжимать поток излучения полностью, отслеживая позицию звезды на небосводе и направляя максимум излучения в зону отдачи тепла. Распределенные станции проще. Они строятся так, чтобы ряды зеркал отбирали как можно больше излучения, когда солнце проходит вдоль отражающих цилиндров. Но отдача тепла не максимальна.

4. Показатель срока службы отражателей

Строительство промышленных СЭС чаще всего ведется в пустынях. Здесь максимум света и жара. Но есть песок и сильные ветры. Поэтому зеркала приходят в негодность. По уровню расходов на замену зеркал распределенные станции выигрывают. Цилиндрическое зеркало закручивает поток воздуха, создавая барьер для песка. В это же время плоская поверхность отражателя башенной станции в полную силу получает разрушительное воздействие от потока воздуха с мелкими частицами. По уровню расходов на очистку зеркал станции обоих типов показывают приблизительно равные результаты.

Краткий список оценок уже позволяет понять, почему разгораются жаркие споры и до сих пор не выбран общий тренд развития тепловой солнечной энергетики. Рост требований к плановой мощности, необходимость снижения техногенных катастроф постепенно склоняют чашу весов в пользу выбора распределенных станций.

Как это работает – несколько важных черт

Чтобы понять, в чем заключается опасность техногенных катастроф, надо знать, как работает солнечная электростанция теплового класса. Здесь теплоносителем выступает насыщенный солевой расплав. При охлаждении он на 90–95% кристаллизуется, температура плавления достигает нескольких сотен градусов, поэтому тепло отдается воде с большой скоростью.

Построенная в пустыне станция имеет два времени – производства энергии и простоя. Для первого она предназначена. Есть свет, тепло, передача и генерация энергии. Но наступает ночь. Температура в пустыне падает зачастую ниже нуля градусов. Идет интенсивный отбор тепла от солевого расплава в окружающую среду. Данный фактор влияет на показатели надежности станции.

Башенную установку удобнее изолировать. Теплоноситель из зоны отбора тепла можно откачать в защищенный резервуар. В распределенной станции полностью удалить расплав из системы циркуляции трудно, поэтому он постоянно прокачивается, этим добиваются плавного падения температуры и используют физический принцип незамерзания текущей жидкости. Для такой работы нужна энергия. Особенности функционирования учитываются при оценке эффективности станций теплового класса. От среднесуточной температуры местности будет зависеть среднегодовой показатель производства энергии.

Солнечные коллекторы прямого преобразования

Цены на полупроводники упали настолько, что идею строительства солнечных электростанций прямого преобразования можно воплотить. Сегодня уже реализовано несколько проектов станций – солнечных коллекторов. Это много сотен квадратных метров панелей.

Проекты очень дорогие. Пользователь видит только поверхность – блестящие полупроводниковые структуры. Но принцип работы электростанций на солнечной батарее очень сложен. Он включает использование преобразователей, накопителей, систем охлаждения.

Упрощенно схему работы солнечной электростанции на полупроводниках можно описать так:

• из небольших полупроводниковых ячеек собираются панели;
• при соединении отдельных элементов рассчитывают отдачу по напряжению и силе тока;
• звезда светит, в результате фотоэлектрического процесса образуется движение электронов;
• энергия поступает на стабилизатор панели, затем – на центральную станцию преобразования.

Главный недостаток станций прямого преобразования – варьирование отдачи, разная установленная мощность по времени суток, года. Панели располагаются так, чтобы гарантировать определенный среднестатистический показатель производства энергии. Они меняют угол наклона в некоторых пределах. Отдача меньше на восходе и закате, максимум – в период экстремума траектории движения солнца по небосводу.

Чтобы станция прямого преобразования работала с четкими параметрами выходной мощности, нужно много электроники. Это стабилизаторы панелей, трансформаторы, накопители энергии. Стоимость полного технического решения невероятно высока. В нее включаются системы охлаждения, компьютерного контроля. Но есть преимущества, которые позволяют заявить: за станциями прямого преобразования – будущее.

Главное достоинство «солнечных ферм» – возможность круглосуточного производства энергии. В теории можно установить огромный аккумулятор из сотен и тысяч гелиевых батарей. В дневной период, когда потребность в энергии мала, они ее накапливают. Ночью отдают. Но в реальности это невероятно дорого, поскольку потребность небольшого города не только велика, но и меняется в широких пределах, достигая максимума вечером и минимума глубокой ночью.

На практике рядом со станцией прямого преобразования солнечной энергии строят небольшую теплоэлектростанцию. Она потребляет накопленную энергию в стабильном режиме, на выходе позволяя получать большую мощность. При этом, если накопители солнечной станции не могут обеспечить нужной подачи мощности, ничего не мешает использовать для нагрева теплоносителя газ или твердое топливо.

Почему человечество все еще сжигает уголь, газ, расщепляет атом

Некоторые недостатки солнечной энергетики очевидны даже для неспециалиста. Срок действия солнца – не круглые сутки. Кроме того, каждая местность характеризуется своим количеством энергии, которое можно получить от станции. Прежде чем описать меры, к которым прибегают для обеспечения круглосуточного производства энергии, поговорим о стоимости.

Станции башенного типа имеют показатель вложения средств на уровне 18000 долларов за 1 кВт мощности в среднегодовой выработке. При этом атомные станции классического типа имеют этот же показатель на уровне 2–4 тыс. долларов, а привычную тепловую можно построить за 700–900 долларов. В башенных станциях учтена только схема без систем обеспечения круглосуточной выработки. Атомные и тепловые классические станции же могут гарантировать поступление определенной мощности в энергосеть страны.

Стоимость станций прямого преобразования сложно оценить. Они строятся в расчете на плановую мощность, в схему закладывается стоимость решений для обеспечения круглосуточной выработки электроэнергии. Такие расходы относительно просто оценить. Поэтому солнечные фермы стоят в СЭЗ (специальных экономических зонах) Китая, пустыне Мохаве, в Индии – это самая быстроразвивающаяся отрасль в разрезе инвестиционной привлекательности.

Однако срок окупаемости полупроводниковых станций очень велик, следовательно, энергия также не отличается привлекательной стоимостью. В пользу решений на полупроводниках говорит высокий КИУМ – коэффициент использования установленной мощности. Полученную энергию можно накопить, поэтому станция всегда функционирует в режиме полного отбора энергии солнца.

Солнечные электростанции теплового класса дешевле. Но при попытке обеспечить круглосуточную выработку авральными темпами растет цена проекта и уровень опасности техногенных катастроф. Основное решение – сооружение термически защищенных резервуаров. В них находится огромный объем теплоносителя, который нагревается в световой день. Станция может использовать энергию для подготовки пара круглые сутки.

Такие сооружения очень дороги. Их содержание также влетает в копеечку. Кроме того, любые воздействия – от банальных землетрясений, метеоритов, до террористических действий или атак военными средствами – практически гарантируют техногенные катастрофы гигантских масштабов из-за пролива солесодержащих расплавов в почву, их поступления в подземные горизонты.

Но не все так мрачно. Зеленая энергетика показывает рост. Это видно даже по практике некоторых стран, которые стимулировали развитие возобновляемых источников получения электричества, а сегодня вводят дополнительные налоги, поскольку доля «бесплатной» мощности в общей энергосистеме превышает 30%.