ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ. СТАНЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Экономическое развитие страны сопряжено с непрерывным ростом, потребностей в топливно-энергетических ресурсах»

Истощение запасов органического топлива в европейской части СССР требует освоения все. новых и новых месторождений в северо-восточных районах с суровыми климатическими и слож­ными горно-геологическими условиями, прившит к необходи­мости транспортировки во все возрастающих масштабах огром­ных количеств топливно-энергетических ресурсов в западном направлении. Все это вызывает непрерывное их удорожание, что затрудняет решение проблем надежного энергоснабжения и может привести к сокращению темпов прироста производства топлива и энергии в перспективе.

Обостряются и экологические проблемы, что связано не только с непрерывным ростом масштабов энергопотребления, но и с увеличением доли низкосортных твердых топлив.

В этих условиях развитие энергетики в долгосрочной пер­спективе немыслимо без освоения нетрадиционных возобновляе­мых источников энергии. Важными их преимуществами являют­ся неисчерпаемость и экологическая чистота.

Серьезное внимание этой проблеме было уделено в решениях XXVI съезда КПСС, на котором была поставлена задача 'уве­личить масштабы использования в народном хозяйстве возоб­новляемых источником энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной)'. В Основных положениях Энергети­ческой программы СССР на длительную перспективу указано:

"На первом этапе реализации Энергетической программы СССР намечено создать материально-техническую базу для широкого использования нетрадиционных источнике© энергии... На в то­ром этапе предусмотрено приступить к активному вовлечению в энергетический баланс нетрадиционных возобновляемых источ­ников энергии'. Необходимость широкого использования возоб­новляемых источников энергии подчеркнута и в таких важных документах, как новая редакция Программы КПСС и Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года, принятых реше­ниями XXVH съезда КПСС,

Среди воех видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии наиболее крупным потенциалом облапает солнечная энер­гия, тепловой поток которой на верхней границе с атмосферой достигает 5,7 • 10^^, а на поверхности Земли - 1,5 * 1024Д}* в год. Это колоссальная энергия, соответственно, в 20 и 5 іьісяч раз превышающая энергию, которую могут цать вое виды вевозобновляемых топливно-энергетических ресурсов мира. Оо - вое і те всего лишь одной тысячной доли процента падающего на Землю солнечного излучения равно пятикратному увеличению современного энергопотребления.

Освоение солнечной энергии для производства электроэнергии и тепла в настоящее время осуществляется по следующим нап­равлениям; ;

— разработка и строительство систем солнечного горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха;

— разработка и создание фотоэлектрических установок для электроснабжения автономных потребителей;

—создание и ввод в эксплуатацию солнечных электростан­ций с паротурбинным циклом. '

Солнечное теплоснабжение (СТС) - технически наиболее доступный путь использования солнечной энергии. На отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха в стране с умеренным климатом расходуется 25-30% от общего потреб­ления энергии. Основной элемент активных систем СТС - сол­нечный коллектор, представляющий собой водонагреватель в виде штампованных стальных и алюминиевых, пластмассовых или резиновых панелей. При создании таких систем одной из наи­более важных задач является изготовление эффективных соя - ' вечных коллекторов из дешевых заменителей металлов - рези­ны, пластмасс и композитных материалов. Весьма перспектив­но сочетание систем СТС с аккумуляторами тепла, с тепло­выми насосами, а также комбинирование с другими источника­ми энергии, что позволяет повысить надежность отопитель­ных систем.

В ближайшей перспективе целесообразно расширение масшта­бов видрения солнечных коллекторов, в первую очередь, для систем сезонного горячего водоснабжения. Дальнейшее повы­шение экономичности систем СТС связано с разработкой тех­нологии селективных покрытий, созданием вакуумированных, а также фокусирующих солнечных коллекторов.

Предельная простота обслуживания, малый вес, высокая на­дежность и стабильность ФЭП делают их весьма привлекатель­ными для широкого использования. Однако этому в значительной

степени препятствует из чрезмерно высокая стоимость, которая для наиболее распространенных кремниевых элементов постига­ет 30-50 тыс. руб./кВт.

ФЭП находят применение для энергообеспечения многочис­ленных наземных автономных потребителей, где обычно не тре­буются большие мощности (до 250 и в отдельных случаях до.1000 Вт). КПД солнечных батарей с кремниевыми ФЭП пока не превышает 7-8% , а стоимость наземных солнечных бата­рей примерно в 100 раз дороже традиционных тепловых в атомных электростанций. ,

Дальнейшее повышение эффективности ФЭП связано с пере­ходом от кремния на гетероструктуры и применением концент­раторов солнечного излучения. При значительной концентрации солнечного излучения и использовании выделяющегося при этом тепла КПД таких энергоустановок может быть увеличен до 30%.

В настоящее время в наземных условиях ФЭП целесообраз­но применять только для питания маломощной микроэлект­ронной и радионавигационной аппаратуры.

Наряду с разработкой и созданием СЭС промышленного уровня мощности в ряде стран, в т. ч. и в СССР, проводятся работы по освоению СЭУ небольшой мощности. Так, в НПО 'Солнце' АН ТССР проводятся испытания небольшой тепло­вой модульной СЭУ с плоскими солнечными коллекторами. Иэ-эа низких температур в качестве рабочего тела в уста­новке приметается ниэкокипяшее вещество (хладон).

Модульные СЭС не ' нуждаются в башне для размещения парогенератора и сложных системах ав тома тиче ского управле­ния. Однако технико-экономические показатели таких уста­новок хуже, чем у СЭС башенного типа. Тем не менее мо­дульные СЭС небольшой мощности (10-1000 кВт) могут найти в перспективе применение для энергоснабжения автоном­ных потребителей, удаленных от пиний электропередачи.

В цели данного выпуска 'Итогов науки к техники' не вхо­дит детальное описание состояния разработок в области сио - тем СТС, ФЭП и. СЭС модульного типа, в связи с чем мы ограничимся выше изложенным и попытаемся более полно рас­смотреть состояние в области разработок термодинамических СЭС башенного типа.

Основной недостаток солнечной энергии - низкая плотность потока излучения, которая на границе с атмосферой состав­ляет 1353 Вт/м2 ('солнечная постоянная'), а на поверхности

Земли в наиболее перспективных южных районах СССР не пре-. выищет 830-850 Вт/м2.

Однак о с помошью оптических систем можно обеспечить вы­сокую степень концентрации солнечных лучей, что позволяв* нагреть рабочее тело до температур, при которых возможна эффективная работа тепловых машин.

Издавна известны концентраторы солнечной энергии в виде линз и вогнутых зеркал с параболической поверхностью. Лин­зы сложнее в изготовлении, поскольку имеют две ІфИВОЛИНеЙ - ные поверхности. Поэтому в первых СЭУ предпочтение было отдано параболическим зеркалам.

Попытки создания солнечных тепловых энергетических уо - тановок сравнительно небольшой мощности предпринимались ' уже давно. В период с 1860 по 1881 г. такие установки создавались во Франции A. Atyuio, в 1870 г. - в Швеции Д, Эриксоном, в 1901 г. - в США А. Энеасом.

Широкую известность получила солнечная паросиловая ус­тановка французского инженера А. Мушо, демонстрировавшая­ся в 1882 г. на Всемирной промышленной выставке в Париже.

В 1912 г. по проекту немецкого инженера Ф. Шумана и - английского инженера Ч. Бойса в Миди недалеко от Каира (Египет) была построена солнечная тепловая энергетическая установка мощностью 45 кВт. Здесь вместо параболических зеркал были применены парабопоцилиндрические концентраторы общей площадью 1200 м2.

Последующие попытки создания более мощных солнечных тепловых энергетических установок в течение длительного времени не приводили к успеху, поскольку оптические системы со сложными криволинейными зеркальными поверхностями край­не трудоемки и дороги в изготовлении. При этом с увеличением размеров зеркал затраты на их изготовление растут в геомет­рической прогрессии. Даже при современной технологии вряд ли целесообразно изготовлять параболические концентраторы площадью более 500-600 м2 с единичной мощностью >40- 50 кВт.

В последние годы предложены оригинальные конструкции концентраторов, в которых гибкой пленке с зеркальным пок­рытием придается параболическая форма с помощью вакуума. Такие концентраторы намного дешевле. Однако нельзя рассчи­тывать на то, что пленка таких концентраторов диаметром > 15-20 м будет способна выдержать сильные ветровые наг­рузки. Следовательно, и в этом случае единичная мощность солнечного приемника будет ограничена. Добавим, что с помо-

шью параболоцилиндрических концентраторов трудно нагреть ра­бочее тело до температур более 300—350 С. Таким образом, единичная мощность СЭ11 с параболическими и параболоципин - дрическими зеркалами весьма ограничена.

В принципе из отдельных модулей можно собрать достаточ­но крупные системы. Подобные электростанции уже созданы в Австрии мощностью 300 кВт, Испании*- 500 кВт и Японии —

1000 кВт. Однако серьезный недостаток таких систем — слож­ность сбора ^нергии от многочисленных рассредоточенных сол­нечных'приемников, что дополнительно усложняет и удорожает электростанцию.

Технический барьер на пути создания крупных СЭС был преодолен советскими учеными. Еше в предвоенные годы ин­женером Н. В. Линицким была выдвинута идея СЭС с солнеч­ным приемником, расположенным на высокой башне. В дача-* ле 50-х годов ученые Энергетического института им.

Г. М. Кржижановского (ЭПИН) разработали научную концепцию создания такой СЭС. Они предложили отказаться от сложных дорогих криволинейных зеркал, заменив их простейшими плоо - кими зеркалами - гелиостатами.

В 1957 г. в СССР был разработан первый в мире проект СЭС башенного типа мощностью 2500. кВт. Электростанцию предполагалось построить в Армении. Проект не был реали­зован в связи с тем, что в конце 50-х годов в СССР были открыты новые месторождения нефти и газа, что отвлекло внимание от солнечной энергетики. Тем не менее советская концепция СЭС башенного типа получила кмровое признание. Только за период с 1977 по 19 83 г, такие СЭС мощностью от 250 до 10 000 кВт были построены-в США, Франции, Испании, Италии и Японии.

В СССР в 1985 г. был успешно осуществлен пробный энергетический пуск первой советской экспериментальной СЭС башенного типа проектной мощностью 5000 кВт.

Проблемам опытно-конструкторских разработок, опыту эксплуатации и направлениям по созданию термодинамических СЭС башенного типа посвяшен настоящий обзор, написанный в основном по материалам реферативных журналов ‘'Энерге­тика*' (выпуск "'Гелиоэнергетика*') и отедльного выпуска 9U 'Нетрадиционные и озобновляемые источники энергии' за 1981-1985 гг.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АТ - аккумулятор тепла АФП - аккумулятор тепла фа­зового перехода ГТУ - газотурбинная установ­ка :

МОФ - материал с обратимы­ми фазами

ПВА - пароводяной аккумуля­тор тепла 1

ПТА - подземный тепл о акку­мулятор

ПЗУ - пиковая энергоустанов­ка

СПГ - солнечный парогенератор.

СТЭС - солнечно-топливная электростанция

СЭС - солнечная электростан­ция

СЭУ - солнечная энергети­ческая установка

ТАМ - теплоаккумулирующий материал

ТАС - теплоаккумулирующая система

ТПГ - топливный парогенера­тор •

ТЭС - тепловая електростан - ция

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь

ЦП - центральный приемник