ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Солнечные электростанции

После энер­гетического кризиса 1973 г. правительствами стран и частными компаниями были приняты экстренные меры по поиску новых видов энер­гетических ресурсов для получения электро­энергии. Таким источником в первую очередь стала солнечная энергия. Были разработаны параболо-цилиндрические концентраторы. Эти устройства концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, располо­женных в фокусе концентраторов. В 1973 г. был сконструирован плоский кон­центратор, явившийся успехом научной и ин­женерной мысли. Это привело к созданию первых солнечных электростанций (СЭС) ба­шенного типа. Широкое применение эффек­тивных материалов, электронных устройств и параболо-цилиндрических концентраторов позволило построить СЭС с уменьшенной сто­имостью - системы модульного типа. Нача­лось внедрение этих систем в Калифорнии фирмой Луз (Израиль). Были подписаны кон­тракты с фирмой Эдисон на строительство в южной Калифорнии серии СЭС. В качестве теплоносителя использовалась вода, а полу­ченный пар подавался к турбинам. Первая СЭС, построенная в 1984 г., имела КПД 14,5%, а себестоимость производимой электроэнер­гии 29 центов/(кВт-ч). В 1994 г. фирма Луз реорганизована в компанию Солел, базирующуюся в Израиле, и продолжает успешно ра­ботать над созданием СЭС, ведет строитель­ство СЭС мощностью 200 МВт, а также разра­батывает новые системы аккумулирования энергии. В период между 1984 и 1990 г. фир­мой Луз было построено девять СЭС общей мощностью 354 МВт. Последние СЭС, постро­енные фирмой Луз, производят электроэнер­гию по 13 центов/(кВт-ч) с перспективой снижения до 10 центов/(кВт-ч). Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного концентратора, использовав сле­жение за Солнцем по двум осям и применив вакуумированный теплоприемник, получил КПД 25÷30%. Стоимость получаемой электро­энергии составила 6 центов/(кВт-ч). По­добная система будет создана в США после 2005 г. и она позволит снизить стоимость получаемой электроэнергии до 5,4 цента/(кВт-ч). При таких показателях строитель­ство СЭС станет экономичным и конкуренто­способным по сравнению с ТЭС.

Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем Стирлинга, раз­мещаемым в фокусе параболического зер­кального концентратора. КПД таких установок "может достигать 29%.

Для Украины солнечная энергия является наиболее мощным и доступным из всех видов не­традиционных и возобновляемых источников энергии в Украине. Наиболее перспективным регионом использования солнечной энергии является Крымский полуостров. В реальных условиях облачности, годовой приход суммарной солнечной радиа­ции на территории Крымского региона находится на уровне 1200÷1400 кВт ч/м2. При этом, доля прямой солнечной радиации составляет: с ноября по февраль 20÷40 %. с марта по октябрь - 40÷65%, на Южном берегу Крыма в летние месяцы - до 65÷70%.

В 1986 г. вблизи г. Щелкино построена первая в мире сол­нечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 тыс. кВт (рис 3.9). К 1994г. она выработала около 2 млн. кВт. час электроэнергии. Экспери­мент с СЭС показал реальность преобразования солнечной энергии в электрическую, но стоимость отпускаемой электроэнергии оказалась слишком высокой, что в условиях рыночной экономики является малоперспективным. Крымская СЭС проработала с 1986 по 2001 год и была демонтирована.

1-солнечные лучи; 2- башенный парогенератор-гелиоприемник; 3 – пароводяной аккумулятор; 4- гелиостаты.

Рисунок 3.9 – Схема Крымской экспериментальной солнечной электростанции

Солнечный парогенератор принципиально отличается от парогенератора, который работает на органическом топливе. Сильно выраженная неравномерность и резкая нестабильность обогрева рабочей поверхности парогенератора СЭС не позволяет выполнить его по прямоточной схеме. Выполнение парогенератора с многократно принудительной циркуляцией теплоносителя сильно усложняет конструкцию, потому что в нее добавляются циркуляционные насосы. В связи с этим парогенераторы СЭС выполняют по схеме с естественной циркуляцией теплоносителя.

Поверхность нагрева парогенератора образуется вертикальными трубными цельносварными панелями, часть из которых являются испарительными, а часть - водонагревательными. Последние располагаются на южной стороне парогенератора, которая менее всего обогревается. Соседние панели между собой не сваривают. С учетом неравномерности и нестабильности радиационного обогрева трубных панелей каждая испарительная панель включается в самостоятельный циркуляционный контур и соединяется с барабаном парогенератора собственными подводящими и пароотводными трубами. Предусматривается подведение пара в нижние коллекторы панелей от теплового аккумулятора.

Парогенератор экспериментальной СЭС, построенной в Крыму, скомпонован в виде шестнадцатигранника (диаметр описанного круга и высота его внешней части - 7 м) (рис 3.10).

1- теплоприемные панели; 2- башня

Рисунок 3.10 – Схема парогенератора Крымской СЭС

Он рассчитан на генерацию насыщенного водяного пара давлением 4 МПа с температурой 250 °С. Его максимальная расчетная паропроизводительность составляет 30 т/час. Поверхность нагрева парогенератора образована 16 вертикальными трубными цельносварными панелями, из которых 14 - испарительными, а остальные - водонагревательные.

На рис. 3.11 показан другой тип парогенератора - полостной. Он работает в схеме с принудительной циркуляцией теплоносителя.

1 — экономайзер; 2 — испарительная секция; 3 — пароперегреватель.

Рисунок 3.11 - Центральный приемник полостного типа

Системы преобразования энергии созданных СЭС и тех, которые разрабатываются, предусматривают комбинируемую выработку теплоты и электроэнергии, что выгодно в технико-экономическом отношении.

Рисунок 3.12 - Принципиальная тепловая схема СЭС

Схема СЭС (рис 3.12) состоит из двух контуров, где пар генерируется соответственно благодаря солнечной радиации и аккумулированной воде.

При работе электростанции пар от солнечного парогенератора 1 в насыщенном состоянии поступает в двухступенчатую паровую турбину 2, вал которой соединено с электрогенератором 3. Одновременно пар подводится к пароводяному аккумулятору 12 и пароперегревателю 4. После турбины высокого давления влажный пар, частично расширившись, направляется в пароперегреватель 4, где подсушивается, перегревается и направляется в турбину низкого давления.

После турбины низкого давления отработанный влажный пар конденсируется в конденсаторе 5, а конденсат конденсатным насосом подается в деаэратор 16. Из деаэратора конденсат самостоятельно или в смеси с горячей водой, поступающей из промежуточного аккумулятора горячей воды 13, направляется в солнечный парогенератор 1 насосом 17.

Схема дает возможность выравнивать и смещать на протяжении суток выработку теплоты и электроэнергии. Запас насыщенной воды для этой цели создается в пароводяном аккумуляторе 12 из пара, производимом парогенератором при работе в номинальном режиме, и охлажденной воды, которая поступает из бака-аккумулятора 10, куда она нагнетается насосом 8 из двухступенчатого расширителя 9.

Во время перерывов в поступлении солнечной радиации, а следовательно, прекращение выработки пары в парогенераторе схема поддерживается в рабочем состоянии благодаря генерации насыщенного пара, который образуется из насыщенной воды пароводяного аккумулятора 12. В это время конденсат забирается из деаэратора 16 питательным насосом 15 и подается в парогенератор системы тепловой аккумуляции 14, с другой стороны подводится насыщенная вода из пароводяного аккумулятора 12. Полученный насыщенный пар из парогенератора 14 направляется в турбину высокого давления 2, после чего к нему подмешивается насыщенный пара низкого давления. Последний образуется из смеси воды аккумуляторов 13 и 12 последовательным ее расширением в расширителе 9. Для повышения эффективности СЭС последний выполняется двухступенчатым с установкой в паропроводах его ступеней эжектора 7, который обеспечивает повышение давления пара после второй степени ее расширения. Как теплоноситель в первом контуре СЭС вместо воды можно использовать высококипящую жидкость или жидкометаллический теплоноситель с большой удельной теплоемкостью. В этом случае появляется возможность создания дешевого теплового аккумулятора значительной энерговместимости с давлением не выше 0,8÷1 МПа.

1 — центральный приемник; 2 — турбина; 3 — теп­ловой аккумулятор, содержащий 7 тыс. т гравия и песка и 900 тыс. л термостойкого масла; 4 — пароге­нератор системы аккумулирования; 5 — расшири­тельный бак; 6 — охладитель пара, идущего на зарядку системы аккумулирования; 7 — промежуточ­ный нагреватель системы аккумулирования теплоты, 8 — регенеративные подогреватели; 9 — деаэратор

Рисунок 3.13 - Принципиальная тепловая схема одно­контурной СЭС с центральным приемником внешнего облучения (Барстоу, США, 10 МВт)

С 1986 г. в г. Даггетт (США) эксплуатируется СЭС «Солар уан» мощностью 10 МВт. Вокруг ее стометровой башни установлены 1818 зеркал, которые направляют лучи Солнца на котел сложной конструкции, размещенный на вершине башни. Часть солнечной энергии аккумулируется в масляном аккумуляторе, куда прибавлены камни. Запаса аккумулированной теплоты хватает для производства 7 МВт электроэнергии в течение 4 часов после заката Солнца.

В настоящее время ПЭО "Крымэнерго" обосновало применение в Крыму солнечно-топливных электростанций, являющихся СЭС второго поколения с более высокими технико-экономическими показателями. Такую электростанцию планируется построить в Евпатории.