Типы солнечных электростанций: башенные, тарельчатые, параболоцилиндрические концентраторные, солнечно-вакуумные, комбинированные

Обновлено: 24.04.2024

Для преобразования энергии солнечной радиации, или иными словами - солнечного тепла и света, в электрическую энергию , уже многие годы во многих странах мира используют солнечные электростанции. Это инженерные сооружения различных конструкций, работающие на различных принципах, в зависимости от типа электростанции.

Если кто-то, слыша сочетание «солнечная электростанция», представляет себе устланную солнечными панелями обширную площадь, то в этом нет ничего удивительного, ибо данный тип электростанций, называемых фотоэлектрическими, очень популярен сегодня во многих домашних хозяйствах. Но это — не единственный тип солнечных электростанций.

Все известные сегодня солнечные электростанции, генерирующие электричество в промышленных масштабах, подразделяются на шесть типов: башенные, тарельчатые, фотоэлектрические, параболоцилиндрические концентраторные, солнечно-вакуумные и комбинированные. Рассмотрим же подробно каждый тип солнечных электростанций, и обратим внимание на конкретные сооружения в разных странах мира.

Башенные электростанции

В основе башенных электростанций изначально лежал принцип испарения воды под действием солнечного излучения. Водяной пар здесь используется в качестве рабочего тела. Расположенная в центре такой станции башня, имеет на вершине резервуар с водой, который окрашен в черный цвет для наилучшего поглощения как видимого излучения, так и тепла. Кроме этого в башне имеется насосная группа, функция которой — доставлять воду в резервуар. Пар, температура которого превышает 500 °C, вращает турбогенератор, расположенный на территории станции.

Для того, чтобы максимально возможное количество солнечной радиации сконцентрировать на вершине башни, вокруг нее устанавливают сотни гелиостатов, функция которых — направлять отраженное солнечное излучение точно на емкость с водой. Гелиостаты представляют собой зеркала, площадь каждого из которых может достигать десятков квадратных метров.

Закрепленные на опорах, оснащенных автоматической системой фокусировки, все гелиостаты направляют отраженное солнечное излучение точно на вершину башни, на резервуар, поскольку позиционирование работает в соответствии с движением солнца в течение дня.

В самый жаркий день температура получаемого пара может доходить до 700 °C, и этого более чем достаточно для нормальной работы турбины.

Так, например, в Израиле, на территории пустыни Негев, ко концу 2017 года завершится возведение башенной электростанции мощностью более 121 МВт. Высота башни составит 240 метров (самая высокая в мире солнечная башня на момент строительства), а вокруг нее будет расположено пол сотни тысяч гелиостатов, позиционироваться которые будут посредством управления через Wi-Fi. Температура пара в резервуаре будет достигать 540 °C. Проект стоимостью 773 миллиона долларов покроет 1% потребностей Израиля в электроэнергии.

Вода — не единственное, что может нагреваться солнечным излучением в башне. Например, в Испании в 2011 году ввели в эксплуатацию солнечную электростанцию башенного типа Gemasolar, в которой нагревается жидкий теплоноситель на основе соли. Это решение позволило сохранять тепло даже в ночное время.

Разогретая до 565 °С соль поступает в специальный резервуар, затем передает тепло парогенератору, который вращает турбину. Вся система обладает номинальной мощностью 19,9 МВт, и способна подать 110 ГВт-ч электрической энергии (в среднем за год) для питания сети из 27500 домовладений, круглосуточно работая в полную силу в течение 9 месяцев.

Для преобразования энергии солнечной радиации, или иными словами - солнечного тепла и света, в электрическую энергию, уже многие годы во многих странах мира используют солнечные электростанции. Это инженерные сооружения различных конструкций, работающие на различных принципах, в зависимости от типа электростанции.

Башенная солнечная электростанция [solar power plant) — Солнечная электростанция, в которой излучение от оптической концентрирующей системы, образованной полем гелиостатов, направляется на установленный на башне преемник энергии солнечного излучения.

Гелиостат [heliostat] - Плоский или фокусирующий зеркальный элемент оптической концентрирующей системы, имеющий индивидуальное устройство ориентации для направления отраженной прямой энергии солнечного излучения на приемник солнечного излучения.

Принципиально электростанции данного типа похожи на башенные, однако конструктивно отличаются. Здесь используются отдельные модули, каждый из которых генерирует электричество. Модуль включает в себя и отражатель, и приемник. На опоре устанавливается параболическая сборка из зеркал, формирующих отражатель.

Зеркальный концентратор [mirror booster] - Концентратор солнечного излучения, имеющий зеркальное покрытие. Зеркальный фацетный концентратор [mirror faceted concentrator] - Зеркальный концентратор солнечного излучения, состоящий из отдельных зеркал плоской или криволинейной формы, образующих общую отражающую поверхность.

В фокусе параболоида расположен приемник. Отражатель состоит из десятков зеркал, каждое из которых индивидуально настроено. Приемником же может быть двигатель Стирлинга, совмещенный с генератором, либо резервуар с водой, которая превращается в пар, а пар вращает турбину.

Так например, в 2015 году компания Ripasso, Швеция, испытала в Южной Африке параболическую гелеотермальную установку с двигателем Стирлинга в фокусе. Отражатель установки представлял собой параболическое зеркало, состоящее из 96 частей, и общей площадью 104 квадратных метра.

В фокусе располагался водородный двигатель Стирлинга, оснащенный маховиком, и сопряженный с генератором. Тарелка медленно поворачивалась вслед за солнцем в течение дня. В результате КПД получился 34%, и каждая такая «тарелка» оказалась способной давать потребителю 85 МВт-ч электроэнергии в год.

Справедливости ради отметим, что в фокусе «тарелки» солнечной электростанции данного типа может располагаться и емкость с маслом, тепло от которого может передаваться парогенератору, который, в свою очередь, вращает турбину электрогенератора.

Параболоцилиндрические концентраторные солнечные электростанции

Здесь снова теплоноситель нагревается сконцентрированным отраженным излучением. Зеркало в форме параболического цилиндра, до 50 метров в длину, располагается в направлении север-юг, и вслед за движением солнца вращается. В фокусе зеркала закреплена трубка, по которой движется жидкий теплоноситель. После того, как теплоноситель достаточно разогрелся, в теплообменнике тепло передается воде, где пар опять же вращает генератор.

Параболоцилиндрический концентратор (parabolic trough concentrator] - Зеркальный концентратор солнечного излучения, форма которого образована параболой, перемещающейся параллельно самой себе.

В 80-е годы в Калифорнии, компания Luz International построила 9 таких электростанций, их общая мощность составила 354 МВт. Однако, после нескольких лет практики, специалисты пришли к заключению, что на сегодняшний день параболоцилиндрические электростанции уступают как по рентабельности, так и по эффективности солнечным электростанциям башенного и тарельчатого типов.

Несмотря на это, в 2016 году в пустыне Сахара, неподалеку от Касабланки, была открыта электростанция на солнечных концентраторах, мощностью 500 МВт. Полмиллиона 12 метровых зеркал разогревают теплоноситель до 393°С, чтобы превратить воду в пар для вращения генераторных турбин. Ночью тепловая энергия продолжает работать, будучи сохраненной в расплавленной соли. Таким путем государство Морокко планирует постепенно решать проблему экологически чистого электроснабжения.

Станции на базе фотоэлектрических модулей, солнечных батарей. Весьма популярны и распространены в современном мире. Модули на базе кремниевых элементов широко применяют для электроснабжения небольших объектов, таких как санатории, частные коттеджи и другие здания, где из отдельных частей набирают станцию необходимой мощности, и устанавливают ее на крыше или на участке земли подходящей площади. Промышленные же фотоэлектрические станции способны обеспечить электроснабжение небольших городов.

Солнечная электростанция (СЭС) [solar power plant] - Электростанция, предназначенная для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

Например в России, в 2015 году была запущена самая крупная фотоэлектрическая электростанция в стране. Солнечная электростанция имени Александра Влазнева, состоящая из 100000 солнечных панелей, общей мощностью 25 МВт, расположилась на площади в 80 гектаров между городами Орском и Гаем. Мощности станции достаточно, чтобы снабдить электроэнергией пол города Орска, включая предприятия и жилые дома.

Принцип действия таких станций прост. Энергия фотонов света преобразуется в ток в кремниевой пластине, внутренний фотоэффект в этом полупроводнике давно изучен и взят на вооружение производителями солнечных батарей. Но кристаллический кремний, дающий КПД 24% - не единственный вариант. Технология непрерывно совершенствуется. Так, еще в 2013 году инженеры компании Sharp добились от индиево-галлий-арсенидного элемента КПД 44,4%, а применение фокусирующих линз позволяет добиться всех 46%.

Абсолютно экологически безопасный тип солнечных станций. В качестве принципа используется естественный поток воздуха, возникающий благодаря перепаду температур (воздух у поверхности земли разогревается, и устремляется вверх). Еще в 1929 году во Франции была запатентована эта идея.

Сооружается оранжерея, представляющая собой накрытый стеклом участок земли. Из центра оранжереи выступает башня, высокая труба, в которой установлена турбина генератора. Солнце разогревает оранжерею, и воздух устремляясь через трубу вверх, вращает турбину. Тяга сохраняется постоянной, пока солнце разогревает воздух в закрытом стеклом объеме, и даже ночью, пока поверхность земли сохраняет тепло.

В 1982 году, в 150 километрах к югу от Мадрида, в Испании, была построена экспериментальная станция такого типа. Парник имел диаметр 244 метра, а труба была 195 метров в высоту. Максимально развитая мощность получилась всего 50 кВт. Несмотря на это турбина работала в течение 8 лет, пока не вышла из строя из-за ржавчины и штормовых ветров. В 2010 году в Китае завершили строительство солнечно-вакуумной станции, которая смогла дать 200 кВт. Она заняла площадь 277 гектаров.

Комбинированные солнечные электростанции

Это те станции, где к теплообменникам подключают коммуникации горячего водоснабжения, отопления, в общем нагревают воду для различных нужд. К комбинированным станциям относятся и совмещенные решения, когда параллельно солнечным батареям работают концентраторы. Часто комбинированные солнечные электростанции оказываются единственным решением для альтернативного электроснабжения и отопления частных домов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

При словосочетании “солнечная электростанция” большинство читателей представляет систему из черных, прямоугольных панелей, расположенных в пустыне или на крыше дома. Однако в широком смысле солнечной электростанцией может называться любое устройство, способное тем или иным образом трансформировать тепло и свет солнца в электричество. Именно поэтому существуют разные виды солнечных электростанций, использующих различные способы такой трансформации.

Солнечное электричество: доступное и разнообразное

Извлекать пригодную для бытового использования электроэнергию из солнечных лучей можно различными методами, технология не ограничивается фотоэлектрическими панелями. Конечно, большинство конструкций слишком сложны или дорогостоящие, чтобы применять их в домашних СЭС, но в некоторых регионах мира на их основе работают полноценные промышленные генераторы. Ниже мы расскажем, как устроены солнечные электростанции: преимущества, недостатки и принцип работы.

Как устроены фотоэлектрические электростанции

Фотоэлектрические электростанции наиболее узнаваемы и распространены по всему миру. Это те самые “черные, прямоугольные панели”, которыми обвешаны крыши европейских домов и усеяна Невада.

Как работает солнечная электростанция такого типа объясняют на уроках физики - в основе фотоэлектрической технологии лежат кремниевые полупроводники, способные извлекать энергию фотонов из потока света, которая затем трансформируется в электрическую. За счет этого СЭС может эффективно работать даже зимой - температура воздуха не важна, достаточно только солнечного света.

Благодаря компактности и дешевизне технологии, купить солнечную станцию можно практически в любом регионе мира по доступной для среднестатистического покупателя стоимости. Из недостатков фотоэлектрических модулей можно назвать:

Деградацию полупроводников - со временем они разрушаются и КПД фотоэлектрической СЭС будет постоянно падать;
Относительно невысокую эффективность - большинство панелей выдает 20-24% КПД.

Правда, в защиту фотоэлектрических панелей можно сказать, что технология постоянно развивается, поэтому их стоимость устойчиво падает, а КПД растет - уже есть прототипы с производительностью до 44-46%.

Что такое параболоцилиндрические концентраторные солнечные электростанции

В основе параболоцилиндрической солнечной станции лежит большое по площади параболическое (полукруглое) зеркало с внутренней отражающей поверхностью. Зеркало фокусирует солнечные лучи на специальный цилиндрический резервуар с тепловым агентом. За счет концентрации лучший теплоагент нагревается и испаряет воду, пар крутит турбину генератора.

Как работает солнечная электростанция с парабольными зеркалами проверяли в Калифорнии в 80-х, но позже от нее отказались как от нерентабельной и малоэффективной. Однако в регионах с более высокими температурами параболоцилиндрические СЭС используются до сих пор.

Такая станция на 500 мВт и с полумиллионом зеркал работает в марокканской Сахаре.

Башенные электростанции

Башенные СЭС появились как дальнейшее развитие применения зеркал в получении и трансформации солнечной энергии. Это крупные солнечные электростанции, принцип работы которых построен на кипячении воды: в центре СЭС стоит башня, на вершине которой резервуар с водой, вокруг нее расположены сотни (или тысячи) отражающих солнечный свет гелиостатов. Гелиостаты автоматически корректируют угол наклона, чтобы концентрировать свет на резервуаре с водой, при нагревании вода испаряется, а пар крутит турбину генератора.

Как и в параболоцилиндрических, КПД башенных СЭС зависит от температуры окружающей среды.
Для нормальной работы требуется большая площадь и сложные системы авторегулирования отражателей.

Крупнейшая башенная электростанция построена на территории Израиля. При высоте башни в 240 м и 500 зеркалах она может вырабатывать до 121 мВт электроэнергии. В 2011-м в Испании тестировалась усовершенствованная технология с соляным теплоносителем вместо воды, такое нововведение позволяет СЭС работать круглосуточно, а не только на протяжении светового дня.

Чем отличаются тарельчатые электростанции

Тарельчатые электростанции используют тот же принцип работы, что и башенные, но в их конструкции нет центрального элемента - башни. Вместо нее на каждом гелиостате в точке фокуса солнечных лучей установлен фотонный двигатель Стирлинга. То есть солнечная электроэнергия вырабатывается не централизованно, а каждой зеркальной “тарелкой”, после чего подается в общую сеть.

Технология относительно новая и тестировалась швейцарскими разработчиками в 2015-м на юге Африки. Несмотря на то, что тарельчатые СЭС имеют те же недостатки, что и башенные, их КПД за счет применения фотонных двигателей возросло до 34% - больше, чем у средних фотоэлектрических панелей.

В более простых и дешевых аналогах двигатель Стирлинга заменяется на резервуар с теплоносителем, который испаряет воду, а пар крутит турбину генератора. Однако КПД в таких моделях ниже.

Солнечно-вакуумные электростанции: 100% экологические

Вообще, принцип работы солнечной электростанции данного типа был запатентован во Франции еще в 29-м году прошлого века. Такая СЭС генерирует энергию за счет естественного движения теплого воздуха вверх (в область низкого атмосферного давления). Работает это так:

Стеклянным куполом накрывается большой участок земли. В центре купола устанавливается высокая труба с турбиной.
При попадании солнечных лучей температура внутри купола растет, а разогретый воздух устремляется вверх через трубу.
Этот поток воздуха крутит турбину генератора, установленную в трубе.

Как можно понять, конструкция максимально проста и не может повлиять на окружающую среду. Однако распространения солнечно-вакуумные электростанции не получили, поскольку:

Требуется высокая температура окружающей среды;
Купол должен накрывать большую площадь, а это сложно и дорого;
У таких СЭС невысокий КПД.

Экспериментировать с технологией попытались в Китае, где в 2010-м возвели крупнейшую в мире солнечно-вакуумную электростанцию. В результате, чтобы получить 200 кВт энергии, потребовалось накрыть куполом почти 280 Га земли.

Что такое комбинированные солнечные электростанции

Комбинированными СЭС называют системы, которые используются не только для генерации электричества, но и обеспечения других видов энергоснабжения (как правило, для подогрева воды). Комбинированная станция может включать фотоэлектрические панели и гелиоконцентраторы, которые справляются с подогревом эффективнее.

Правильно выбранная и установленная комбинированная солнечная электростанция (отзывы подтверждают это) может обеспечить:

электроэнергию;
горячее водоснабжение;
отопление дома.

При наличии достаточного количества модулей и уровня солнечной активности в регионе комбинированные СЭС способны сделать частный дом полностью энергоавтономным или как минимум сократить коммунальные расходы.

Читайте также: