Солнечные электростанции с центральным приемником кратко

Обновлено: 04.07.2024

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла.

Структурная схема сетевой фотоэлектрической электростанции.

Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции – это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

Солнечные параболические концентраторы

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой “Luz International”, девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества.

Схема солнечной электростанции параболического типа.

Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. “Luz International” установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему “Solar Electric Generating System I” (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт.

В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция “SEGS I” предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции “SEGS II – VII” мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены “SEGS VIII и IX”, каждая мощностью 80 МВт.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности.

Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная установка тарельчатого типа

Этот вид гелиоустановки 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 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. 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%.

Солнечная установка тарельчатого типа.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них – проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы “Stirling Technology”, “Stirling Thermal Motors” и “Detroit Diesel” совместно с корпорацией “Science Applications International Corporation” создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

Схема солнечной электростанции башенного типа.

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать “Solar One” для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы.

Гибридная ветро-солнечная электростанция мощностью 1300вт.

Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в “горячий” бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 – 13 часов.

“Solar Two” – башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии – это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта “Solar Two” должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Сопоставление технических характеристик

Принцип работы солнечной электростанции.

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки – на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе.

Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер “тарелок” позволяет использовать их в небольших установках. Башни и “тарелки” позволяют достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат.

Параболические концентраторы в настоящее время – уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

В США обанкротилась одна из ведущих компаний по производству солнечных батарей Abound Solar. Несмотря на поддержку американского правительства, предоставившего кредитные гарантии на 400 млн долларов, ей не удалось реализовать свою продукцию. Процесс ликвидации фирмы, долги которой превышают 100 млн долларов, официально начался в понедельник, сообщили сегодня в Ассоциации альтернативной энергии США.

Казалось бы, такое перспективное направление. Всегда думал, что за альтернативными источниками будущее, но информация последнего времени говорит о том, что пока без постоянного субсидирования эти отрасли абсолютно не жизнеспособны в конкурентной среде электроэнергетики. И как только внешние денежные потоки от государства заканчиваются, все накрывается медным тазом. А еще существует мнение, что это все заговор нефтяных компаний и владельцев. Мол они пытаются не допустить снижения значимости углеводородов на мировом энергетическом рынке.

Давайте узнаем больше про солнечные батареи и современные солнечные электростанции.

Сначала по принципах .

Солнечная батарея состоит из фотоэлементов, соединенных последовательно и параллельно. Все фотоэлементы располагаются на каркасе из непроводящих материалов. Такая конфигурация позволяет собирать солнечные батареи требуемых характеристик (тока и напряжения). Кроме того, это позволяет заменять вышедшие из строя фотоэлементы простой заменой.

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основан на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Вообще такой способ получения электричества должен быть наиболее эффективным, потому что является одноступенчатым. По сравнению с другой технологией преобразования солнечной энергии через термодинамический переход (Лучи -> Нагревание воды -> Пар -> Вращение турбины -> Электричество), меньше энергии теряется на переходы.

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).

На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

На сегодняшний день солнечные электростанции классифицируются на следующие типы:

- солнечная электростанция тарельчатого типа;

- солнечная электростанция, подразумевающая применение параболических концентраторов;

- электростанции, на которых используются фотобатареи;

- комбинированные солнечные электростанции.

Солнечные электростанции башенного типа основываются на принципах применения солнечной радиации и получения водяного пара. В самом центре этой конструкции располагается башня, высота которой может составлять от 18 до 24 метров (зависит от мощности и множества прочих параметров). Следует заметить, что на её верхушке располагается резервуар, заполненный водой. Он имеет черную окраску, что способствует максимально эффективному поглощению солнечного излучения. Кроме того, в этой башне располагается насосная группа, которая на турбогенератор доставляет пар. От башни по кругу на определенном расстоянии находятся гелиостаты, являющиеся зеркалами, укрепленными на опоре и подключенными к единой системе позиционирования.

Ещё одной распространенной в наше время солнечной электростанцией считается установка, в которой используются параболические концентраторы. Сущность функционирования этих СЭС состоит в нагреве теплоносителя до параметров, которые пригодны к применению в турбогенераторе. Их конструкция предусматривает монтаж параболического зеркала, отличающегося значительной длиной. Следует отметить, что специальная трубка устанавливается в фокусе параболы. Внутри нее находится теплоноситель (в большинстве случаев - масло). Он разогревается, передает теплоту воде, которая постепенно преобразуется в пар и попадает на турбогенератор.

Солнечные электростанции тарельчатого типа подразумевают использование принципа получения электрической энергии, аналогичного башенным моделям. Единственное отличие заключается в конструкции. Станция предусматривает наличие отдельных модулей, состоящих из опоры, куда закрепляется ферменная конструкция отражателя и приемника. Приемник располагается на заданном удалении от отражателя. Следует отметить, что в нем происходит концентрация отраженных солнечных лучей. Отражатель состоит из нескольких зеркал, имеющих форму тарелок, радиально находящихся на ферме. Что касается диаметров этих зеркал, то они могут достигать двух метров, а число зеркал - до нескольких десятков (зависит от мощности модуля).

Сущность комбинированных солнечных электростанций заключается в том, что в них дополнительно монтируются теплообменные аппараты, отвечающие за получение теплой воды, применяемой как для отопления и горячего водоснабжения, так и для технических нужд.

Давайте рассмотрим некоторые наиболее известные проекты.

Вот параболический тип солнечных концентраторов.

А вот смотрите какой интересный проект.

В Фуэнтес-де-Андалусия (Испания) была запущена в эксплуатацию коммерческая солнечная электростанция под названием Gemasolar Power Plant.

Солнечный комплекс был построен испанскими властями совместно с Объединенными Арабскими Эмиратами (ОАЭ). Общий объем инвестиций в проект составил примерно 427 млн. долларов.

Кликабельно 4000 рх

Кликайте на картинку и ощутите всю мощь станции :-)

Электростанция сможет производить электрическую энергию примерно 270 дней в году, а ее мощность составляет около 110 гигаватт/год. Согласно экспертным подсчетам, солнечный комплекс сможет снабжать электроэнергией город с населением примерно 100 000 человек.

В фантастической саге Ларри Нивена "Мир-кольцо" описывались зеркальные цветы, которые концентрировали солнечные лучи на своем пестике и получали необходимую для выживания энергию. По этому же принципу работает и солнечная станция Gemasolar Power Plant возле Севильи, Испания. Более 2600 зеркал, установленных на площади 185 гектаров, собирают лучи солнца на, грубо говоря, бочке с солью. Соли азотной кислоты отлично удерживают тепло и греют резервуары с водой, которая превращаясь в пар, крутит турбину.

Клкиабельно 3000 рх

Gemasolar Power Plant - это первая солнечная станция, которая вырабатывает энергию и ночью, а все благодаря соли, которая медленно остывает в темное время суток. Не зря слова соль и солнце созвучны! Производительность станции, строительство которой обошлось в 260 миллионов евро - 20 мегаватт. Это на два порядка меньше, чем можно
получать от АЭС, но зато солнечная энергия не наносит ущерба окружающей среде и исключает экологические катастрофы. Чтобы получить ту же энергию путем сжигания топлива, потребовалось бы выбрасывать в атмосферу 30 000
тонн углекислого газа ежегодно! Gemasolar Power Plant - самая большая и, пожалуй, самая красивая станция своего типа в Европе.

Кликабельно

Солнечная станция, открытая в начале октября 2011 года, пока что работает на 70% мощности, но ее создатели, компания Torresol Energy и арабский инвестор Masdar, рассчитывают уже в 2012 году выйти на полные обороты. В этом им поможет
сама погода Севильи, где практически всегда солнечно. И даже в тихом сумраке ночей от Севильи до Гренады теперь будет раздаваться не звон мечей, а тихое шипение нагретой солнцем соли.

Лучи солнца, сжатые зеркалами в тысячу раз, нагревают соль, которая курсирует через центральный приемник, до температуры свыше 500 оС.

Благодаря столь мощному тепловому буферу новой электростанции можно с запасом перекрыть всю ночь или облачный день. Поэтому Gemasolar Power Plant может работать без перебоев круглосуточно и большую часть дней в году.

Возможности теплового буфера новой электростанции с запасом перекрывают всю ночь или, к примеру, целый облачный день. Это свойство позволяет установке работать без перебоев 24 часа в сутки и большую часть дней в году.

Станция Gemasolar, которая обошлась партнёрам в $427 миллионов, уже подключена к энергетической сети. Она способна снабжать энергией до 25 тысяч домов, при этом расчётная экономия выбросов CO₂ составляет 30 тысяч тонн в год.

Кликабельно

На создание станции партнеры потратили 427 миллионов долларов. В настоящее время ее уже подключили к энергетической сети. Станция способна удовлетворить потребности в электроэнергии примерно 25 000 домов. Согласно расчетам экономия выбросов углекислого газа ежегодно будет составлять 30 000 т.

По словам председателя Torresol Energy, Энрике Сендагорта стандартизация данной технологии позволит сократить инвестиционные расходы для солнечных электростанций.

А вот другой проект:

Перед Вами - солнечная электростанция так называемого башенного типа с центральным приемником. В этих электростанциях для преобразования в электроэнергию солнечного света используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Каждое зеркало управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи были всегда были направлены на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорния) была построена еще в 1980 году и с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. На этой станции используется водно-паровая система мощностью 10 МВт.

Самую большую солнечную электростанцию в виде башни запустила компания Abengoa Solar. Ее мощность составляет 20 МВт. Солнечная башня PS20 расположена недалеко от Севильи, в Испании, и построена она рядом с ранее действовавшей башней PS10 меньшей мощности.

Солнечная электростанция PS20 концентрирует на башне высотой 161 метр лучи, отраженные от 1255 гелиостатов. Каждое зеркало гелиостата площадью 120 м 2 направляет солнечные лучи на солнечный коллектор, расположенный наверху 165-метровой башни. Коллектор превращает воду в пар, который приводит в движение турбину. Построена станция в 2007г. К 2013 году Испания планирует получать от солнечных установок разнообразной конструкции, включая башни, около 300 МВт электроэнергии.

Недостатком любой солнечной станции является падение ее выдаваемой мощности в случае появления облаков на небе, и полное прекращение работы в ночное время. Для решения этой проблемы предложено использования в качестве теплоносителя не воды, а солей с большей теплоемкостью. Расплавленная солнцем соль концентрируется в хранилище, построенного в виде большого термоса, и может использоваться для превращения воды в пар еще продолжительное время после того, как солнце скроется за горизонтом.

вот еще как пример башенной станции

В 1990-х годах “Solar One” была модернезирована для работы на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. При такой конструкции расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в “горячий” бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

Строительство такой станции обходится в сумму порядка 5 миллионов евро.

Ну и на последок - Германия.

В Германии недалеко от Берлина находится одна из крупнейших солнечных электростанций в мире. Если мерить ее площадь футбольными полями, то получится более 200 полей. Мощность электростанции — 53 мегаватта.

С воздуха открывается впечатляющий вид.

Получая постоянную поддержку от правительственных организаций, Германия стала мировым лидером в области возобновляемой энергетики. На территории Германии расположено почти столько же действующих солнечных электростанций, как во всех остальных странах мира вместе взятых, а возобновляемые источники энергии обеспечивают более 20% ежегодной потребности государства в электричестве. Немецкое правительство неоднократно заявляло, что страна намерена сократить свои выбросы парниковых газов на 40% до 2020 года. Учитывая текущие заслуги страны, можно не сомневаться, что она достигнет этой цифры.

Количество СЭС по всему миру увеличивается примерно на 20% в год. Еще быстрее растет их общая производительность и популярность среди бизнесменов и населения. Чтобы понять, почему солнечная электростанция становится серьезным конкурентом ископаемым видам топлива, необходимо начать с того, что это за комплекс, как он работает и насколько выгоден в эксплуатации. Наша статья посвящена подробному разбору этих вопросов.

Что такое солнечная электростанция

Любая СЭС представляет собой специализированный комплекс оборудования, способный улавливать электромагнитное излучение солнца и преобразовывать его в тепловую или электрическую энергию.

Для этого использовались разные технологии, которые с годами совершенствовались.

Наиболее ранний известный метод позволял получать энергию за счет перепада температур в герметичной прозрачной башне. Его использовали на французских фермах еще в 19 столетии.

Следующим технологическим решением стала система зеркал, размещаемых концентрическими кругами вокруг высокой центральной башни, на которой устанавливался бак с теплоносителем. Фокусировка лучей от каждого зеркала нагревала бак до температур от 500 до 700°C. Теплоноситель превращался в перегретый пар, передающийся на лопатки турбин. К сожалению, эффективные установки подобного рода требовали огромных площадей, а небольшие домашние солнечные электростанции смонтировать таким путем было невозможно.

Гораздо более прогрессивными и перспективными являются современные СЭС на базе фотоэлектрических солнечных панелей. Теоретическая эффективность таких установок может достигать 80%, а их размеры могут колебаться от миниатюрной батареи на поясе до огромных ферм, занимающих сотни квадратных километров.

В связи с этим далее мы будем рассматривать только станции, генерирующие энергию с помощью фотоэлектрических батарей.

Как устроена солнечная электростанция

Основными элементами СЭС являются:

Гелио модули (солнечные батареи)

Каждый из них представляет собой набор полупроводниковых ячеек, уложенных рядами на прочное основание. Сверху модуль закрывает особо прочное прозрачное стекло, а передача тока осуществляется через токопроводящие полоски.

В большинстве случаев торцы панели защищает алюминиевая рама, однако существуют модели, созданные по безрамной технологии. В крупных солнечных электростанциях модули могут объединяться в группы, соединяясь одним из трех способов:

последовательным;
параллельным;
смешанным.

Благодаря такому решению можно получать на выходе любые, наперед заданные, силу тока и его напряжение.

Количество фотоэлектрических ячеек в одной панели солнечной электростанции для дома обычно составляет несколько десятков, хотя существуют варианты и с сотнями элементов. Сами ячейки создаются по различным технологиям, связанными с особенностями полупроводниковых материалов. Наиболее распространенными из них являются:

2. Поликристаллический кремний Poli-Si. Используется в местах с умеренным уровнем солнечной инсоляции. Его несколько меньшая эффективность, чем у монокристаллов (16-20%), компенсируется среднегодовым ростом производительности за счет не столь значительного падения КПД при воздействии неблагоприятных факторов.

3. Теллурид кадмия CdTe. Редкоземельный композит, позволяющий создавать гибкие тонкопленочные, а не жесткие батареи. Еще менее чувствителен к углам наклона, облачности, рассеянному свету и перепадам температур.

4. Дорогостоящие редкоземельные элементы – галлий, германий, индий. Применяются преимущественно в модулях, где вопрос, сколько энергии вырабатывает солнечная электростанция, более важен, чем ее стоимость. Основными покупателями панелей данного типа являются компании, работающие в аэрокосмической промышленности.

Инверторы

Второй по важности элемент любой солнечной электростанции – устройство, называемое инвертором. Его присутствие в схеме необходимо, поскольку батареи вырабатывают постоянный ток, а в электросетях используется переменный. Именно эту задачу и выполняет инверторный преобразователь.

В зависимости от того, как будет работать солнечная электростанция – автономно, в тандеме с сетью или смешанно, приобретается инвертор соответствующего типа. Подключение прибора осуществляется с точным соблюдением полярности между группой генерирующих ток модулей с одной стороны и всеми прочими элементами системы – с другой.

При выборе инвертора ориентируются на следующие важные характеристики:

величина входного напряжения;

максимальная и номинальная мощность;
потребление без нагрузки;
форма тока на выходе (идеальной считается чистая синусоида);
масса устройства;
наличие вентилятора и его функциональность;
набор механизмов защиты;
КПД;
наличие режима ожидания;
рабочий диапазон температур.

Контроллеры заряда

Требуются только в промышленных или домашних солнечных электростанциях, использующих аккумуляторные батареи для накопления заряда. На рынке имеется широкий выбор контроллеров, значительно отличающихся функциональными возможностями, качеством и долговечностью.

широтно-импульсныеPWM (Pulse-Width Modulation), достаточно качественно модулирующие ток и заряжающие АКБ на 100%;
интеллектуальные MPPT (Maximum power point tracking for low power photovoltaic solar panels) – более дорогие, но окупающиеся на крупных станциях за счет на 30-35% большей эффективности;
гибридные – в основном использующиеся на станциях, где в едином тандеме работает солнечная СЭМ и ветровая ВЭС.

Выбор контроллера зависит преимущественно от общей мощности, производительности и стоимости электростанции.

АКБ – аккумуляторные батареи

Любая солнечная электростанция для дома или дачи, работа которой планируется в круглосуточном режиме, имеет в своем составе аккумуляторные батареи. При наличии солнца в них накапливается избыток генерации. При его отсутствии сохраненная в АКБ энергия отдается обратно в сеть.

В зависимости от потребностей и финансовых возможностей владельца, для станции выбирается один из следующих типов аккумуляторов:

AGM, свинцово-кислотные	GEL, на основе геля	Li-On – на базе оксидов лития
Срок службы, лет	5-10	15-20	10-20
Заряд/разряд, 100%	200	150	6 500
Заряд/разряд, 50%	350	550	23 000
Заряд/разряд, 30%	800	1 200	50 000
Диапазон температур, °C	+15 / +25°	+10 / +35°	– 30 /+60°
Экологическая безопасность	низкая	средняя	высокая

Кроме того, у литиевых АКБ в 5 раз ниже удельный вес на единицу плотности энергии

Периферия

Основные элементы солнечной электростанции не могут быть объединены в единую систему без периферии. На вопрос, что это такое, обычно называют соединительные кабели с разъемами MC4, а также крепежные конструкции для СЭС всех видов.

Общим требованием к периферийным материалам является их надежность, долговечность и устойчивость к неблагоприятным погодным условиям.

Иногда в эту же категорию записывают различные электронные блоки и платы – комплектующие к различному оборудованию солнечных электростанций, подлежащие замене при необходимости.

Как работает солнечная электростанция

Функционирование таких систем основано на принципе фотоэлектрического эффекта. Заключается он в следующем:

поток фотонов падает на поверхности солнечных панелей;
свет определенной длины волны – в основном видимое и отчасти УФ и ИК излучение – поглощается слоем кремния или редкоземельных материалов;
в рабочем слое ячеек возникает так называемая p/n-проводимость, в результате которой фотоны выбивают из атомов полупроводника свободные электроны;
их поток представляет собой постоянный электрический ток, который по токопроводящим дорожкам направляется в инвертор;
оттуда к потребляющим устройствам и АКБ направляется переменный ток напряжением 220V, использующийся с различными целями.

В автономных солнечных электростанциях вся сгенерированная энергия остается в системе. Часть ее идет на потребление, питая разнообразные электроприборы, светильники и прочее электрическое оборудование. Другая часть накапливается в АКБ, чтобы поддерживать потребление на том же уровне в ночное время суток и при пасмурной погоде. Сколько будет стоить такая солнечная электростанция, зависит от потребностей владельцев. Для загородного дома оптимальной будет СЭС на 10-20 кВт. На временно посещаемой даче может оказаться достаточно и 3-5 кВт.

Гибридный тип солнечных электростанций объединяет в себе возможности первого и второго класса СЭС. Такие установки могут работать автономно либо в режиме получения/отдачи электроэнергии из внешних сетей. Для них удельная цена киловатта мощности максимальна, поскольку конструкция должна включать все основные элементы, необходимые для первых и вторых разновидностей станций.

Сколько стоит солнечная электростанция

Наиболее дешевым вариантом считается покупка б/у обрудования из Европы. Недостаток такого приобретения очевиден, и связан с невозможностью объективной оценки реальной эффективности станции и оставшийся срок службы панелей.

Вторым по уровню затрат является приобретение бюджетных комплектующих от малоизвестных китайских фирм. Их оборудование на 20-30% дешевле батарей, инверторов, аккумуляторов и периферии от компаний из всемирно известного рейтинга TIER-1 Bloomberg, но уступает качеством и долговечностью.

Поэтому перед покупкой специалисты советуют рассматривать только третий вариант и строить расчет на том, сколько будет стоить солнечная электростанция для дома от проверенных производителей.

Приведем несколько наиболее востребованных примеров.

1. Сколько стоит солнечная электростанция на 5 кВт

Ориентировочно вам понадобится приобрести следующий комплект для наиболее дешевой сетевой СЭС:

2. Сколько будет стоить солнечная электростанция на 10 кВт

Принцип расчета здесь почти аналогичен. Вам потребуется приобрести:

Комплектующие	Количество	Стоимость, $
Панели 250-275 Вт	36-40	4000
Инвертор на 10 kW	1	1400
Электроника и периферия	1300
Мульти тарифный счетчик + установка	1400
Итого:	~ 9100

Таблица ориентировочной стоимости СЭС на 10 кВТ

3. Сколько стоит солнечная электростанция на 30 кВт

Никаких принципиальных изменений при определении общей стоимости такой, второе более мощной СЭС, делать не нужно. Однако необходимо принять во внимание следующее соображение.

Для такой станции потребуется более 100 батарей на 250-275 ватт, или около 200 кв. метров свободного пространства. Замена на более производительные 300-400 ваттные панели несколько сэкономит место, но южных скатов крыши даже большого дома может оказаться недостаточно. Поэтому необходимо будет рассмотреть вариант с установкой на земле. Но площадь свободного участка придется увеличить почти вдвое, чтобы не допустить падения тени от одних наклонно установленных модулей на другие, соседние.

Если это не проблема, понадобится выделить на покупку около $25-26 тыс., или почти 700 тыс. гривен.

Впрочем, окупаемость такой СЭС не превысит 5 лет, а далее начнет приносить постоянный доход более $4000 ежегодно.

Сколько вырабатывает солнечная электростанция

Для примера рассмотрим вариант СЭС мощностью 5 киловатт, а далее проведем простое умножение полученных результатов для станций на 10, 20 и 30 кВт соответственно.

5 кВт

Солнечная электростанция указанной мощности сможет выработать за год:

в среднем 6-6,5 МВт*ч в год;
минимум 160 кВт*ч зимними месяцами;
максимум 750 кВт*ч в летний период.

Важно! При расчете следует учитывать поправку на уровень солнечной инсоляции места установки для каждого региона Украины.

Таким образом, даже сравнительно маломощная 5-киловаттная домашняя солнечная электростанция вполне может использоваться как бизнес.

Для сетевых СЭС на 10, 20 или 30 киловатт все приведенные выше цифры понадобится просто умножить на 2, 4 и 6 соответственно.

Устанавливайте солнечные электростанции и пользуйтесь всеми преимуществами чистой энергии!

2 комментария к “Солнечные электростанции: какие они бывают, как устроены и принцип их работы”

Использование тепловых электрических станций разрушает окружающую среду, а источники энергии, на которых они работают, когда-нибудь полностью себя исчерпают. Гидроэлектростанции и АЭС также имеют собственные проблемы, связанные со сложностями строительства и дальнейшей эксплуатации. В связи с этим, во многих странах большое внимание уделяется разработками в области альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких вариантов является солнечная электростанция, использующая в работе практически неисчерпаемую и доступную энергию Солнца.

Разновидности солнечных электростанций

Многие страны мира в течение длительного времени пользуются солнечными электростанциями, способными преобразовывать энергию солнца в электрический ток. Они представляют собой различные виды инженерных сооружений, конструктивно различающихся между собой и работающих по собственным принципам.

Наибольшее распространение получили установки, работающие на основе фотоэлектрических элементов. Их основными компонентами являются солнечные панели, нередко занимающие довольно значительные площади. Они используются не только в производственной сфере, но и в частном секторе, обеспечивая электричеством все домашнее хозяйство. Принцип работы этих устройств основан на прямом преобразовании солнечного света в электрический ток.

Наряду с ними используются и другие солнечные электростанции, имеющие свои плюсы и минусы, с помощью которых электричество может производиться в промышленных объемах. В отличие от фотоэлементов, процесс преобразования включает в себя несколько этапов. Вначале энергия Солнца превращается в тепловую и нагревает рабочую жидкость, используемую в качестве теплоносителя. Далее, эта жидкость превращается в пар, поступающий в парогенератор и обеспечивающий вращение вала. Таким образом, получается электроэнергия, вырабатываемая примерно по такой же схеме, как на тепловых или атомных электростанциях.

Принцип работы солнечной электростанции является одинаковым для всех типов данных устройств. Они различаются между собой лишь разновидностями теплоприемников, где концентрируется солнечная энергия. В результате концентрации возникает тепло с температурой 200-1000 градусов, в зависимости от конструкции. Далее в работу включается паровая или газовая турбина, вращающаяся под действием полученного пара. Излишки тепловой энергии применяются в других производственных процессах или используются в системах отопления.

Каждая солнечная электростанция оборудована следящей системой, обеспечивающей максимальную концентрацию солнечных лучей в течение всего светового дня. Конструктивно типы солнечных электростанций могут быть башенными, тарельчатыми, параболическими, солнечно-вакуумными и другими. Для того чтобы понять, как они функционируют, рассмотрим их более подробно.

Солнечные электростанции башенного типа

Все башенные электростанции работают на воде, превращающейся в пар под влиянием солнечных лучей. В центре установки располагается башня, на вершине которой установлена емкость с водой. Данный резервуар окрашивается черным цветом, усиливающим его способность к поглощению солнечных лучей. Подача воды в емкость осуществляется насосами. В результате нагрева, вода превращается в пар с температурой более 500 градусов, приводящий в действие турбогенератор, установленный неподалеку от башни.

Максимальная концентрация солнечной энергии в нужной точке достигается за счет гелиостатов в количестве нескольких сотен, расположенных вокруг башни. Каждый из них направляет отраженный солнечный луч в точном направлении к емкости с водой. Гелиостат по своей сути является зеркалом с различной площадью, в зависимости от общей конструкции установки. Все зеркала устанавливаются и закрепляются на опорах.

Точное направление луча обеспечивается автоматическими системами фокусировки, определяющими позицию гелиостатов в соответствии с положением солнца в конкретное время дня. В наиболее жаркие дни величина температуры пара может достигать 700 градусов, и турбина функционирует в стабильном рабочем режиме.

В башенных электростанциях может использоваться не только вода. В некоторых зарубежных установках используются жидкие теплоносители в виде соляного раствора, сохраняющие тепло даже с наступлением темноты. Вначале соль разогревается до 565 градусов, после чего она поступает в емкость с жидким теплоносителем. Жидкость нагревается, и вся дальнейшая работа происходит оп общей схеме.

Действие тарельчатых электростанций

Электростанции тарельчатого типа включают в себя различное количество модулей. Они образуют самостоятельные группы, способные выдавать повышенную мощность, от сотен киловатт до нескольких мегаватт.

Каждый модуль конструктивно включает в себя несколько основных компонентов:

Опоры для крепления ферм. Они же используются как основание для других элементов.
Отражатель, концентрирующий солнечные лучи. Конструктивно изготовлен в форме тарелки, что и послужило названием для всей системы. Настройка каждого отражателя осуществляется в индивидуальном порядке. Максимальный диаметр зеркала составляет 2 метра.
Приемник. Располагается непосредственно под отражателем и принимает на себя сконцентрированные солнечные лучи. Чаще всего в качестве приемника используется парогенератор или двигатель Стирлинга.

В целом, солнечные тарельчатые установки являются своеобразной батареей, включающей в себя параболические зеркала, напоминающие своей формой спутниковую тарелку. Они располагаются таким образом, чтобы сфокусированные лучи могли нагревать теплоноситель в приемнике до 1000 градусов. Такая температура обеспечивает работу генератора и производство электроэнергии практически в любых условиях.

СЭС на параболических концентраторах

Основное предназначение солнечного параболического концентратора состоит в фокусировании солнечных лучей, попадающих на приемник излучателя. Он расположен на линии или в точке фокуса коллектора солнечной энергии.

Типовой параболический концентратор включает в себя следующие компоненты:

Отражатели (линзы), непосредственно концентрирующие солнечные лучи.
Основание для установки и крепления отражателей.
Солнечный коллектор, воспринимающий тепловую энергию.
Трубопроводы для подводки и отведения теплоносителя.
Система слежения с механизмом привода. Состоит из датчика направления на солнце, электронного преобразователя сигналов и электродвигателя с редуктором для поворотов концентратора в нужное положение. Ориентация может производится в одной плоскости – с востока на запад, или в двух плоскостях, когда добавляется движение с севера на юг. В последнем случае ориентация относительно Солнца происходит в течение всего года.
Различные конструкции могут быть дополнены регулирующим вентилем, термометром, циркуляционным насосом, контуром отопительной системы и другими деталями.

Как работает солнечная электростанция на параболических концентраторах, какая схема при этом используется? Чтобы добиться высокой температуры в концентраторе, необходимо обеспечить отражение солнечных лучей с большой поверхности на меньшую площадь приемника. Через этот приемник проходит жидкий теплоноситель, поглощающий максимальное количество тепла и передающий его потребителю.

Система концентраторов позволяет фокусировать лишь прямые солнечные лучи, поэтому они становятся менее эффективными при пасмурной погоде. Такие установки демонстрируют наивысший КПД в районах с высокой солнечной активностью, расположенных ближе к экватору.

При промышленном использовании параболических установок, зеркальные концентраторы фокусируют солнечное излучение более чем в 100 раз превосходящее первоначальное значение. Это дает возможность разогревать жидкость до 400 градусов, после чего она проходит через теплообменники и производит пар, вращающий турбины парогенераторов. Во избежание тепловых потерь, приемная труба заключается в прозрачную стеклянную оболочку на протяжении всей фокусной линии.

Особенности аэростатных электростанций

Важнейший фактор, сдерживающий развитие данного направления, заключается в проблеме наиболее оптимального места, где можно разместить солнечную электростанцию.

Солнечное излучение, попадающее на земную поверхность, выдает мощность примерно 1 кВт на 1 м 2 при условии ясной безоблачной погоды. Следовательно, для солнечных электростанций с их довольно низким КПД, потребуются огромные площади в несколько десятков квадратных километров. Кроме того, такие площадки должны иметь ровную поверхность, быть свободными от хозяйственной деятельности, обеспечивать свободный доступ для ремонта и обслуживание систем.

В настоящее время найти такую площадку практически невозможно. Теоретически для этих целей подходят моря и океаны, однако сами конструкции солнечных электростанций совершенно не годятся для размещения на морских водных поверхностях.

Данная проблема получила удачное разрешение после того как была создана аэростатная солнечная электростанция. Эти установки, оборудованные паровыми турбинами, действуют следующим образом. Поверхность аэростатного баллона поглощает солнечные лучи, которые разогревают водяной пар, находящийся внутри. Вся площадь аэростата покрывается современными селективными материалами с высокой степенью поглощения. Даже неконцентрированные солнечные лучи способны произвести нагрев до температуры 200 градусов и выше.

Оболочка аэростатного баллона изготовлена из двух слоев. Внешняя сделана из прозрачного материала и способна пропускать солнечные лучи. Внутреннюю оболочку покрывает поглощающий селективный слой, разогреваемый солнечными лучами до 160-180 градусов. Воздушная прослойка между оболочками выполняет функцию изолятора, снижающего тепловые потери.

Внутри баллона пар разогревается до 120-150 градусов, а внутреннее давление соответствует атмосферному. Нагретый пар подается в гибкий трубопровод и далее попадает внутрь паровой турбины. Пройдя через нее, он собирается в конденсаторе, откуда в виде воды с помощью насоса вновь закачивается в баллон. Здесь вода вступает в контакт с паром, и сама превращается в пар.

Основное преимущество аэростатных установок заключается в обеспечении работы паровой турбины в ночное время за счет запасов пара внутри аэростата. Работа ночью приводит к снижению подъемной силы аэростата примерно на 15%, что не нарушает его общего положения в воздухе и не влияет на последующую производительность. Недостаток пара восполняется днем за счет его генерации под действием солнечного излучения.

Фотоэлектрические электростанции

Более широкую известность, в том числе и среди хозяев частного сектора, получили фотоэлектрические электростанции. Основным конструктивным элементом этих установок являются солнечные панели на основе кремния или других полупроводниковых материалов. Их физические свойства позволяют получать электрический ток путем преобразования солнечной энергии. В настоящее время средняя производительность батарей составляет примерно 120 ватт с 1 квадратного метра солнечного элемента.

Стабильная работа фотоэлектрических преобразователей заявляется многими производителями, а срок службы, при соблюдении правил эксплуатации, ничем не ограничивается. В своей работе они используют энергию не только прямых, но и рассеянных солнечных лучей. Конструкции модульного типа дают возможность создать электроустановку с требуемой мощностью для конкретного объекта. Существенным недостатком таких устройств считается их довольно низкий КПД, составляющий в среднем 15%, и высокая стоимость комплектующих изделий.

Солнечные батареи могут быть дополнены следящим или фиксированным фотоприемником, с концентратором солнечных лучей или без него. Эти дополнительные устройства имеют свои конструктивные особенности, технические характеристики и обладают различной эффективностью. С целью повышения производительности установок рекомендуется использование концентраторов, увеличивающих плотность радиационного потока.

Эффективность фотоэлектрических станций повышается за счет систем слежения за движением солнца. Их применение позволяет сократить площадь фотоэлементов в 1,7 раза, сохраняя при этом первоначальную мощность.

В последнее время солнечные батареи становятся все более привлекательными для владельцев частного сектора. Их установка делает хозяев дач и загородных домов полностью независимыми от централизованного электроснабжения. Конструкция таких электростанций несложная и вполне может быть собрана самостоятельно.

Она состоит из следующих элементов:

Солнечные панели – фотоэлектрические преобразователи. Их основой служит моно- или поликристаллический кремний. В первом случае КПД составляет 17-18%, во втором – не более 15%. Важнейшей характеристикой является полезная мощность, определяемая выходным током и напряжением. На эти параметры влияет интенсивность светового потока, улавливаемого батареей. Для увеличения выходных параметров применяются соединения модулей по параллельной и последовательной схеме. В первом случае возрастает выходной ток, во втором – выходное напряжение. Каждый элемент батареи шунтируется диодами, защищающими от выхода из строя в случае затемнения одного из них.
Аккумулятор для солнечной электростанции, в котором изначально накапливается вся полученная энергия. Заряд батареи возможен лишь тогда, когда приложенный потенциал превышает напряжение аккумулятора. Величина нагрузочного тока АКБ должна обеспечивать необходимый зарядный ток. С наступлением темноты или уменьшением солнечного света днем, заряд начинает поступать к потребителям. То есть аккумулятор постоянно работает в режиме зарядки и разрядки.
Контроллер обеспечивает управление циклическими процессами заряда-разряда. Он отключает батарею при полной зарядке и включает ее в случае сильного разряда.
Инвертор для солнечной электростанции преобразует постоянное напряжение АКБ в переменный ток, обеспечивая работу потребителей, используемых в быту. Без инвертора питание подается лишь к приемникам, работающим от постоянного напряжения. Это мелкие портативные устройства, светодиодные лампы и т.д.

Плюсы и минусы солнечных электростанций

После рассмотрения различных типов установок, можно выделить общие преимущества солнечных электростанций:

Работают на возобновляемых источниках энергии.
Большинство СЭС могут действовать во многих местах земного шара с доступом к солнечному свету.
Практически не наносят время окружающей среде.
В СЭС отсутствуют движущиеся механизмы и узлы, используемые в большом количестве. Исключение составляют лишь приводы, регулирующие положение установки.
Солнечные установки сохраняют свои достоинства и параметры не менее 25 лет. После этого отдельные показатели могут снизиться, но станция все равно будет работать.
Существенные плюсы солнечных электростанций заключаются в возможности их использования в труднодоступных местах без централизованного электроснабжения.
При необходимости может использоваться гибридная солнечная электростанция, сочетающая в себе детали, компоненты, параметры и технические характеристики нескольких типов электроустановок.

Рассматривая минусы солнечных электростанций следует остановится на некоторых недостатках:

Сильная зависимость от погодных условий и времени суток.
Необходимость в периодическом техническом обслуживании. Поверхности гелиопанелей должны своевременно очищаться от пыли и других загрязнений. Некоторым системам может потребоваться вентиляция или принудительное охлаждение.
Недостатки солнечных электростанций заключаются в отрицательном влиянии на экосистему. Например, птицы, пролетающие над установкой, погибают мгновенно.
Недостаточный КПД гелиопанелей, их сравнительно высокая стоимость, необходимость в дорогостоящем дополнительном оборудовании.

Читайте также: