Сообщение про солнечные электростанции

Обновлено: 02.05.2024

Ежедневно потребление электричества в мире растёт. При этой его выработка постоянно дорожает. Тепловые электростанции наносят существенный ущерб окружающей среде и работают на источниках энергии, которые рано или поздно закончатся. Гидроэлектростанции тоже отрицательно сказываются на ОС, хотя и наносят меньший вред. Атомные ЭС имеют много сложностей с подготовкой топлива и утилизацией отработавшего сырья. Поэтому электроэнергия от всех этих видов ЭС не может быть дешёвой. Поэтому в развитых странах уже давно стали обращать внимание на альтернативные источники энергии. В частности, на солнечные электростанции. Излучение Солнца является возобновляемым источником энергии. К тому же эта энергия бесплатна. За несколько дней на землю от солнца приходит такое количество энергии, которое людям хватит на всю жизнь. В этой статье речь пойдёт о промышленных электростанциях. Мы рассмотрим принцип их действия, основные виды, плюсы и минусы. Мобильные солнечные электростанции для дома и дачи будут рассмотрены в отдельной статье.

Принцип работы и виды солнечных электростанций

Солнечная электростанция (СЭС) представляет собой сооружение, с помощью которого энергия солнца преобразуется в электрическую. Варианты преобразования зависят от вида электростанции. В основном можно выделить два способа получения электричества на СЭС:

Преобразование солнечной энергии в тепловую, а затем в электрическую;
Преобразование солнечной энергии напрямую в электричество.

Второй способ является более перспективным, но для расширения его использования требуется увеличить КПД фотоэлементов. Сейчас в большинстве случаев КПД равен 10─15%. Теперь рассмотрим основные виды солнечных электростанций.

Башенные СЭС

Этот тип солнечных электростанций базируется на получении пара посредством тепловой энергии от солнца. В центре конструкции находится башня, высота которой 18─24 метра. Высота зависит от мощности и может выходить за указанные пределы. Сверху башни расположен резервуар с водой. Ёмкость выкрашена в чёрный цвет, чтобы увеличить степень поглощения солнечного излучения. В башне работает группа насосов, перекачивающих из турбогенератора в нагреваемую ёмкость. Вокруг башни на большой площади находятся так называемые гелиостаты.

Гелиостаты направляют солнечную энергию на ёмкость башни

Схема башенной солнечной электростанции

Когда погода ясная, в резервуаре температура может доходить до 700 градусов Цельсия. Уровень температуры примерно соответствует тепловым электростанциям. Поэтому для выработки электроэнергии из пара применяются стандартные турбины. КПД башенных СЭС достигает 20 процентов при достаточно высоких мощностях.
Вернуться к содержанию

СЭС на фотоэлектрических модулях

Солнечные электростанции этого вида получили широкое распространение благодаря использованию в частном секторе. Конструкция включает в себя большое количество отдельных фотоэлектрических модулей разной мощности и с различными параметрами на выходе. Подобные СЭС используются для энергоснабжения домов, дач, санаториев, некоторых промышленных объектов.

СЭС на фотоэлектрических модулях

Монтаж фотоэлектрических модулей выполняется достаточно просто и быстро. Их можно установить на фасаде здания, крыше, на площадках рядом со зданием и т. п. Мощность таких станций различна, но её вполне хватает для снабжения электроэнергией как отдельных домов, так и целых посёлков.
Вернуться к содержанию

Солнечные электростанции тарельчатого типа

Электростанции этого типа, как и башенные, получают тепловую энергию солнца, а затем преобразуют её в электрическую. Однако есть различия в конструкции. СЭС тарельчатого типа состоит из нескольких. Модуль представляет собой опору с ферменной конструкцией отражателя и приёмника.

СЭС тарельчатого типа

Приёмник находится на таком месте, чтобы на нём концентрировался отражённый солнечный свет. Отражатель – это зеркала в форме тарелки, закреплённые на ферме. Диаметр может доходить до двух метров. Число зеркал может доходить до нескольких десятков. От их количества зависит мощность модуля. В состав промышленных электростанций входит нескольких десятков таких модулей.
Вернуться к содержанию

Аэростатные СЭС

Аэростатные СЭС могут быть двух видов:

Солнечные фотоэлементы или поглощающая тепло поверхность находятся на аэростате. КПД в этом случае около 15 процентов;
Этот вариант подразумевает использование параболической металлизированной плёнки, вогнутой внутрь под давлением газа. В ней концентрируется солнечная энергия. Цена такой плёнки меньше, чем у солнечных батарей и прочих отражающих поверхностей.

Преимущество аэростата заключается в том, что на его высоте (больше 20 километров) не затенения, осадков и ветра. Верхняя часть аэростата делается из армированной прозрачной пленки. В середине находится концентратор в виде параболы из металлизированного материала. Отражённый свет концентрируется на термопреобразователе. Он охлаждается водородом (преобразование энергии с разложением воды) или гелием (если энергия передаётся дистанционно посредством СВЧ излучения или радиоволн). Сам шар ориентируется на солнце посредством гироскопов, а управляется посредством перекачки балласта (вода). В одном аэростате может находиться несколько модулей (плавающих шаров).
Вернуться к содержанию

С параболоцилиндрическими концентраторами

Конструкция таких электростанций заключается в нагреве теплоносителя для подачи турбогенератор. На постаменте закрепляется параболоцилиндрическое зеркало, которое фокусирует отражённый свет на трубке, где проходит теплоноситель. Он разогревается, попадает теплообменник, где отдаёт тепло воде. Вода переходит в пар и подаётся в турбогенератор для выработки электроэнергии.
Вернуться к содержанию

Солнечно-вакуумные электростанции

Этот вид электростанций использует энергию потока воздуха. Этот поток создаётся благодаря разности температур в слое воздуха у земли и на некоторой высоте (делается участок, закрытый стёклами). Конструкция таких СЭС включает в состав высокую башню и участок земли, накрытый стеклом.

В основании башни находится воздушная турбина и генератор, вырабатывающий электроэнергию. Мощность, которую он вырабатывает, увеличивается при росте разницы температур. Эта разница зависит от высоты башни. Благодаря тому, что такая СЭС использует энергию нагретой земли, она может функционировать практически круглые сутки.

Электростанции на двигателе Стирлинга

Конструкция таких СЭС представляет собой параболические концентраторы, фокусирующие отражённый свет на двигатель Стирлинга. Есть вариации двигателей Стирлинга, преобразующих электрическую энергию без применения кривошипно-шатунных механизмов. Это даёт возможность добиться высокой эффективности установки. В среднем эффективность находится на уровне 30 процентов. Рабочим телом в таких установках является гелий или водород.

Комбинированные

Часто на различных видах электростанций ставится теплообменная аппаратура для того, чтобы получать техническую горячую воду. Часто она используется в системе отопления. Такие станции называют комбинированными. Так, что параллельная работа фотоэлементов и солнечных коллекторов далеко не редкость.
Вернуться к содержанию

Плюсы и минусы солнечных электростанций

Описанные ниже преимущества и недостатки в равной степени справедливы для стационарных электростанций большой мощности и небольших портативных.

Плюсы

Фотоэлектрические панели улавливают свет, даже когда на небе тучи. Они могут улавливать лучи, недоступные для нашего глаза. Таким образом, электростанция работает беспрерывно;
Есть возможность комбинировать получение энергии из нескольких источников. Обычно применяют ветро─солнечные батареи, сочетающие возможности обоих типов электростанций. Такая связка может функционировать практически беспрерывно без оглядки на внешние факторы;
Мобильные электростанции имеют небольшие габариты и могут использоваться для обеспечения электроэнергией дома;
Средний срок службы оборудования СЭС составляет 30─50 лет. При подключении накопительных аккумуляторов, энергия может быть запасена днём и затем использоваться ночью;
Солнечная энергия бесплатна;
Солнечные электростанции надёжны, долговечны и дешёво обходятся в обслуживании.

Минусы

Нельзя использовать фотоэлементы ночью. По этой причине нужно использовать накопительные аккумуляторы;
Не во всех климатических зонах солнечные электростанции имеют одинаковую эффективность;
СЭС имеют низкий КПД. В большинстве случаев он составляет 20 процентов. То есть, остальные 80 процентов солнечной энергии теряются. Если сравнивать с другими альтернативными электростанциями, то ветряные имеют КПД до 40, а приливные ─ до 70 процентов.

Производители солнечных станций для максимальной эффективности своих систем рекомендуют использовать гибридные системы, преобразующие энергию солнца в тепловую и электрическую.
Вернуться к содержанию

Примеры СЭС

Теперь, давайте, рассмотрим примеры солнечных электростанций, которые есть в мире.

ТОП 5 самых мощных СЭС в мире

Группа СЭС в штате Гуджарат (Индия)

Индия ставит перед собой амбициозную цель – добиться 15 процентов электроэнергии из альтернативных источников. И комплекс СЭС является одним из шагов в этом направлении. В разработке и строительстве этого проекта принимали участие десятки компаний из различных стран.
Вернуться к содержанию

СЭС находится в США (штат Калифорния). Объект был запущен в конце прошлого года. Строительство было запущено в 2011 году в районе Antelope Valley. При строительстве станции использовано 3800 тысяч солнечных панелей. Пятая часть этих панелей находится на шасси и имеют возможность поворачиваться вслед за солнцем.

Год назад в США построили СЭС Star в Калифорнии

Суммарная мощность электростанции составляет 579 мегаватт. Этого хватит, чтобы закрыть потребности в электроэнергии для города с населением 75 тысяч человек.
Вернуться к содержанию

Topaz

Электростанция также находится в Калифорнии и была запущена в 2014 году. Её построила и эксплуатирует американская компания First Solar. Topaz – это один из крупнейших проектов в сфере солнечной энергетики. Стоимость строительства этой станции составляет 2,5 миллиарда долларов.

В состав СЭС вошли 9 миллионов солнечных модулей. Они выполнены из теллурида кадмия. Суммарная мощность составляет 550 мегаватт электроэнергии. Властями Калифорнии к 2020 году поставлена задача обеспечения электроэнергией из альтернативных источников на 33 процента от всего вырабатываемого объёма.

Sunlight Farm

Ещё одна СЭС в Калифорнии, которая была запущена в прошлом году. Этот проект расположен в пустыне Мохаве рядом с Национальным Лесным Парком. Мощность Sunlight Farm составляет 550 мегаватт. В её составе работает около девяти миллионов тонкопленочных фотоэлектрических панелей.
Вернуться к содержанию

Ivanpah

И замыкает пятёрку проект из той же США суммарной мощностью 397 мегаватт, который был построен в 2013 году. Эта электростанция относится к термально-концентрирующим башенного типа. Ivanpah находится неподалёку от Лас-Вегаса в штате Невада. Первоначально проект проектировался на большую мощность, но затем его урезали, чтобы не он не оказал вредного воздействия на жизнь пустынной черепахи. Общая мощность электростанции 397 МВт.

Солнечная электростанция Ivanpah

В состав станции входят около 170 тысяч гелиостатов, фокусирующих солнечную энергию на три энергетические вышки. Первый год работы станции показал, что энергии было выработано лишь 50% от заявленной мощности. Причиной тому стали разнообразные погодные сюрпризы.
Вернуться к содержанию

Солнечные станции в России

В других регионах России можно отметить Кош-Агачскую СЭС. Она находится в республике Алтай. Эта станция заработала в 2014 году. В её составе работает 20880 фотомодулей суммарной мощностью 5 мегаватт. Годом раньше заработала солнечная электростанция такой же мощностью в дагестанском Каспийске. В будущем планируется нарастить её мощность до 9 мегаватт. В Якутии была построена станция мощностью 1 мегаватт, что является рекордом для СЭС за полярным кругом.

В планах строительство СЭС на Ставрополье мощностью 75 мегаватт. Кроме того, компания Xevel собирается развернуть несколько солнечных электростанций на территории Сибири. Их общая мощность составит более 250 МВт. СЭС собираются расположить на побережье Северного Ледовитого океана, на территориях по границам Монголии, Казахстана, Китая. Электростанции от Xevel должны появиться в Забайкалье и Омске.

В силу климатических условий Россия не входит в страны, где высокий процент использования солнечной энергии. Но постепенно солнечные электростанции строятся и есть определённые проекты на будущее.

Солнечная энергетика. Солнечная электростанция. Принцип работы современных солнечных электростанций. Первые опыты использования солнечной энергии. Башенные и модульные электростанции

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Солнечная электростанция

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Принцип работы современных солнечных электростанций

Принцип работы современных солнечных электростанций (СЭС) основан на сборе сконцентрированной солнечной энергии при помощи зеркал и отражении солнечных лучей на приемники, которые собирают солнечную энергию и преобразуют его в тепло. Эта тепловая энергия может быть использована для производства электроэнергии с помощью паровой турбины или теплового двигателя, который приводит в действие генератор.

Рис.1. Принцип действия солнечной электростанции

Получение электроэнергии от солнца давно применяется во всем мире. Главной задачей ученых на данный момент является необходимость так усовершенствовать имеющиеся технологии, чтобы как можно больше увеличить их КПД.

Производство электроэнергии из солнечной энергии — тема очень актуальная и интересная для многих государств в сегодняшнее время. Малые солнечные электростанции могут обеспечить электроэнергией дома, предприятия, общественные здания и сохранят богатство глубинных недр земли. Большие солнечные энергетические системы способны вырабатывать неограниченное число электроэнергии и способствовать развитию электроэнергетической отрасли в мировом масштабе.

Фотоэлектрические элементы, названные в ученой среде как солнечные элементы, являются устройствами из полупроводниковых материалов и служат для выработки электричества. Фотоэлектрические элементы бывают разных размеров, объемов и форм. Их чаще всего объединяют между собой в фотоэлектрические модули, а модули — соединяют в фотоэлектрические батареи.

Фотоэлектрические (PV) элементы, фотомодули и устройства преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Понятие фотогальваники или выработки тока из солнечной энергии, можно в буквальном смысле охарактеризовать, как свет и электричество.

Беккерель смог открыть процесс использования солнечного света для получения электрического тока при помощи твердого материала. Но потребовалось, чтобы прошло больше полувека, чтобы ученые по-настоящему смогли понять этот процесс и узнать, что фотоэлектрический или фотогальванический эффект вызывают только определенные материалы способные преобразовывать энергию света в электрическую энергию на атомном уровне.

Сегодня фотоэлектрические системы стали важной частью нашей повседневной жизни. Мини солнечные электростанции применяются для обеспечения питания у мелких приборов и приспособлений используемых в быту, таких как, калькуляторы, наручные часы или зарядное устройство для сотового телефона. Более сложные — применяются для спутников связи, водяных насосов, уличного освещения, работы бытовых приборов и машин в некоторых домах и на рабочих местах. Многие дороги и дорожные знаки, также теперь работает с помощью фотоэлектрических элементов или модулей.

Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: “Исследования мировых пространств реактивными приборами”. Он писал: “Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле”.

Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах расположенных как можно ближе к экватору с большим количеством солнечных дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов.

Первые опыты использования солнечной энергии

В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8* 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м 2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885г. Была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 С.

Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество

Солнце - гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2*10 30 кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 % гелия и 0,1% азота. Средняя плотность вещества Солнца равна 1400 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212г. н.э. с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде Приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса римского флота.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы солнечных электростанций (СЭС) требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.

Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника сконцентрированной солнечной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны.
На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн.км 2 (площадь Сахары 7 млн. км 2 ) за год поступает около 5*10 16 кВт*ч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления.

Башенные и модульные электростанции

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции (СЭС) башенного типа и солнечные электростанции (СЭС) распределенного (модульного) типа.

Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 С, воздух и другие газы - до 1000 С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 С, жидкометаллические теплоносители - до 800 С.

Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечных электростанциях мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га.
Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250м.

В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны чем башенные. В солнечных электростанциях (СЭС) модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн.км2 на суше и 18 млн.км2 в океане.

Альтернативным способом энергообеспечения дома является на сегодняшний день использование солнечных электростанций Интерес к солнечной энергии возрастает, так как она является экономичным и перспективным видом получения электричества. Солнечные электростанции применяются на промышленных объектах и используются в частных секторах с перебоями электроэнергии.

Принцип работы солнечной электростанции

Солнечные электростанции, сокращенно СЭС – специальные сооружение, которые преобразуют энергию солнца в электричество. Преобразователи различаются по строению и принципу работы. Преобразование солнечной энергии происходит с помощью оптических элементов, которые отражают лучи и концентрируют их на специальный приемник, наполненный водой или маслом. При повышении температуры жидкость нагревается, выделяя пар или повышая температуру маслянистого теплоносителя. Воздушные массы запускают генератор, который вырабатывает электроэнергию.

Промышленные станции размещают в местах наибольшего солнцестояния. Для эффективности работы отражающие элементы снабжены механизмами, которые следуют наклону солнечных лучей.

В противном случае коэффициент полезного действия станций сводился бы к минимуму. Вогнутая конструкция зеркал с отражающим покрытием обеспечивает максимальный сбор солнечной энергии. Для бесперебойной работы некоторые конструкции оснащены мощными аккумуляторами, так как в ночное время станции не вырабатывают энергию. Главным преимуществом данных конструкций является сохранение экологического покоя окружающей среды и постоянно возобновляемый источник солнечной энергии. Солнечные станции предназначены для тепловых, бытовых, промышленных нужд.

Виды и принцип работы: СЭС электростанция

Современные СЭС конструктивно отличаются друг от друга, хотя технологический процесс выработки энергии одинаков.

При работе с солнечной электростанцией следует сперва грамотно ознакомиться с ее видами и принципом работы

Виды СЭС:

Башенные конструкции;
Тарельчатые электростанции;
СЭС на параболоцилиндрических концентраторах;
Солнечные станции с фотоэлементами или солнечные генераторы;
Вакуумные электростанции.

Башенные СЭС отличаются специальной башней в центре элементов. В ее верхней точке установлен бак с водой, выполненный из жаропрочного металла и покрытый черной краской. Вокруг башни располагаются множество зеркал, уложенных с расчетом отражения солнечных лучей на резервуар. Вода нагревается до высоких температур и начинает конденсировать. Пар подается на турбины и вращает генераторы, вырабатывающие ток. Такие конструкции подают высокую мощность.

В самый жаркий день температура нагрева может достигать 700 о С, что более чем достаточно для высокого коэффициента действия.

Единственным минусом являются большие площади занимаемой конструкцией и не возможность выработки энергии в ночное время. Принцип работы тарельчатых станций аналогичен башенной СЭС. Разница заключается в конструкции. В данном варианте используют отдельные модули из зеркал, включающие отражатель и приемник с жидкостью. Приемник соединен с генератором пара, который вырабатывает электричество. Одного модуля будет достаточно для небольшого частного дома. В промышленных масштабах используют сотни приборов.

Как работает солнечная электростанция

Теплоэлектростанция на параболоцилиндрических концентраторах работает по иному принципу. На железную опору установлены параболоцилиндрические зеркала, сконцентрированные на максимальный прием солнечных лучей. В их фокусе расположена светопоглощающая трубка, в которой циркулирует масляный носитель, поступающий в теплообменник с водой. Жидкость быстро нагревается, превращаясь в пар, который вращает турбогенератор. Вакуумные СЭС используют энергию потоков воздуха, за счет разных температур.

Конструкция состоит:

Из высокой башни;
Встроенной турбиной с электрогенератором;
Участком земли, накрытым зеркалами.

Мощность увеличивается по мере нагревания потоков воздуха. Благодаря прогреву земли башня может вырабатывать энергию круглосуточно, что является важным преимуществом в сравнении с другими солнечными аналогами. Для солнечных генераторов основной частью конструкции являются батареи, состоящие из множества тонких пластин кремния, которые преобразовывают солнечные лучи в электроэнергию. Чтобы обеспечить достаточную мощность, необходимо устанавливать несколько батарей. Такие системы обычно применяют для домашнего хозяйства, освещения оранжерей и выставок.

Экономные солнечные генераторы: принцип работы

Солнечные батареи применяются для резервного и автономного питания с большим спектром использования.

Такой прибор сможет обеспечить работу бытового оборудования: холодильника, стиральной машины, зарядки компьютерных систем, работы отопительных приборов, электроинструментов и циркулярных насосов. Бесперебойная работа гарантирована на 10 – 12 часов.

Многие предпочитают использовать солнечные генераторы, поскольку они экономные и практичные

Достоинства системы заключаются:

В автономности;
Не зависимости от центрального снабжения;
Мобильности;
Бесшумной работе;
Экологической безопасности;
Длительном сроке эксплуатации;
Компактности;
Возможности работать на непроветриваемых участках.

Единственным минусом является стоимость устройства, которая в последствии окупает затраты на электроэнергию.

Плюсы и минусы СЭС

Солнечные генераторы имеют массу достоинств. Главным из них является экологическая чистота для окружающей среды.

Плюсы солнечных электростанций:

Солнечная энергия постоянно возобновляется;
СЭС не причиняет вред окружающей среде;
Независимость от центральной подачи электричества;
Полная автономность системы;
Длительный срок эксплуатации;
Бесплатный энергетический ресурс.

Роль человека в получении электричества в данном случае сводится к нулю. Выработка энергии таким способом имеет и минусы. Покупка оборудования потребует серьезных вложений. Кроме этого необходимо приобрести аккумулятор, так как в ночное время СЭС не производит выработку электричества. Установка оборудования требует дополнительной площади. Она может осуществляться на земле, крыши дома, стене здания. К недостаткам можно отнести необходимость очищать отражающую поверхность от пыли и загрязнений, а также нагрев атмосферы над поверхностью оборудования. Мощность вырабатываемого тока напрямую зависит от погодных условий.

Если рационально подходить к вопросу установки солнечных батарей, необходимо учесть некоторые нюансы:

Проанализировать много ли солнечных дней в предполагаемом районе;
Уточнить возможность подключения к центральной сети;
Выяснить, как часто бывают перебои электричества;
Решить, приборы какой мощности будут использоваться в быту.

Достаточно много достоинств и недостатков у СЭС, однако природные ресурсы не вечны и станции на солнечной энергии смогут стать достойной заменой привычным ресурсам.

Схема солнечной электростанции: на что обратить внимание при покупке

Автономная СЭС для частного сектора наиболее востребована для резервного электроснабжения частного сектора.

Схема тепловых батарей представляет единый блок со съемной крышкой, состоящий из элементов:

Фотопанели для создания тока;
Накопительный аккумулятор;
Инвертор, для преобразования тока; , способствует накоплению ресурсов в аккумуляторе.

При выборе генератора, необходимо обратить внимание на некоторые нюансы. Количество солнечных батарей подбирают в соответствии с нагрузкой, необходимой продолжительности работы и географического расположения объекта. Провода должны быть оснащены водонепроницаемыми коннекторами. При выборе контролера заряда лучше остановиться на современном приборе МРРТ. Выключатель постоянного тока является важным элементом. Во-первых, он защищает контролер от выгорания. Во-вторых, позволяет безопасно производить обслуживание комплекса, которое необходимо обеспечивать как минимум 2-3 раза в год.

Кроме этого необходимо позаботиться об устройстве защитного заземления для приборов и людей.

Как работают солнечные электростанции (видео)

Преимущества солнечных батарей очевидны. Устройство спасет от перебоев с подачей энергии и может стать альтернативой для его постоянного потребления. Вырабатываемая энергетика достаточна для бытовых нужд, отопления и работы электроинструментов. Возможно, в будущем недостатки систем будут технологически решены, и человечество сможет использовать солнечную энергию на полную мощность в промышленных масштабах.

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”

Солнечная электростанция — сооружение для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию.
Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:
1. СЭС башенного типа - основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации.
В центре станции стоит башня высотой 18 - 24 метров (в зависимости от мощности и других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой.
Этот резервуар покрашен в черный цвет для поглощения теплового излучения.
Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни.
По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.
Гелиостат - зеркало площадью в несколько м 2 , закрепленное на опоре и подключенное к общей системе позиционирования.
В зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве.
Основная и самая трудная задача - это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар.
В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 о С.
Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций (ТЭС), поэтому для получения энергии используются стандартные турбины.
Фактически на таких СЭС можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

2. СЭС тарельчатого типа - использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции.
Станция состоит из отдельных модулей.
Модуль состоит из опоры, на которую крепится конструкция приемника и отражателя.
Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца.
Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме.
Диаметры этих зеркал достигают Ø2 метров, а количество зеркал - нескольких 10 ков метров (в зависимости от мощности модуля).
Станции могут состоять как из 1 модуля (автономные), так и из нескольких 10 ков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотобатареи, в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных фотобатарей различной мощности и выходных параметров.
Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.).
Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями.
Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого поселка.

СЭС, использующие параболические концентраторы, нагревают теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.
Конструкция СЭС: на специальные фермы устанавливается параболическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло).
Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдает теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

Комбинированные СЭС- дополнительно имеют теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления.

В 2017 г. на Алтае введена в эксплуатацию первая в РФ СЭС, изготовленной по гетероструктурной технологии (HJT) .
Изготовленные по такой технологии солнечные панели объединяют в себе преимущества аморфной (тонкопленочной) и кристаллической технологий, сочетая высокий КПД, высокую износостойкость и эффективность в улавливании рассеянного и отраженного света.
Даже в облачный день или в зимнее время панели смогут ловить световую энергию, а в жаркий день - не будут терять производительность из-за перегрева пластин.
Это позволило добиться КПД более 20%.

В промышленных масштабах производство по HJT было запущено в конце 2016 г. компанией HEVEL в г. Новочебоксарске.
Хевел - СП РОСНАНО и Реновы, созданное в 2009 г. с целью интеграции решений в солнечной энергетике.
Хевел - строит СЭС под ключ: производит панели, устанавливает их, и эксплуатирует СЭС.

На 2017 г. Минэнерго РФ установило, что стоимость 1 квт установленной мощности СЭС будет компенсироваться инвесторам будет компенсироваться инвестиции в :
- солнечную энергетику, исходя из цены 109,5 тыс. руб/кВт установленной мощности,
- ветровую - 103 тыс. руб/кВт,
- гидроэнергетику - 163 тыс. руб/кВт.
Нужно при этом учитывать коэффициенты использования установленной мощности (КИУМ) в РФ:
- солнечный - до 10%;
- ветровой - до 20%%
- гидроэнергетика - до 40%.
То есть ГЭС, при прочих равных, будет вырабатывать в 4 раза больше э/энергии, чем СЭС такой же мощности.

Читайте также: