Индивидуальные солнечные установки

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОТУ, РАБОТУ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

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 мине­рализованной воды, для сушки материалов и сельскохо­зяйственных продуктов и т. п. Благодаря солнечной энер­гии осуществляется процесс фотосинтеза и рост расте­ний, происходят различные фотохимические процесы.

Известны методы термодинамического преобразова­ния солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлек­трического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальваническо - го и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преоб­разования с применением тепловых двигателей.

Рассмотрим физическую сущность процессов преобразования солнечной энергии в теплоту и работу, а также состояние работ по производству электрической энергии, поскольку это наиболее полно характеризует современный уровень развития гелиотехники.

Преобразование солнечной энергии в механическую осуществля­ется в две стадии. Первая стадия включает фототермическое преоб­разование, в результате которого солнечная энергия, поглощаемая в коллекторе, нагревает теплоноситель или рабочее тело. Этот нагрев может происходить непосредственно в солнечном коллекторе — при­емнике солнечного излучения — или в теплообменнике. При этом помимо нагрева как такового для таких рабочих тел, как водяной пар и пары органических веществ (фреонов), происходит также про­цесс образования и перегрева пара. Вторая стадия осуществляется в тепловом двигателе, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в работу. В цикле теплового двигателя рабочее тело (водяной пар или пары фреонов, воздух и т. п.) получает теплоту ^1 от источника теплоты, в результате чего оно расширяется и вы­полняет работу, отдает теплоту (}2 окружающей среде и при этом сжимается с затратой работы. Полезная работа цикла равна разно­сти количеств подведенной и отведенной теплоты Ь=(}1—<32, а эф­фективность преобразования теплоты в работу характеризуется тер­мическим КПД цикла

Наиболее эффективно преобразование теплоты в работу проис­ходит в цикле Карно, состоящем из идеальных процессов с подводом теплоты при постоянной температуре Т и отводе теплоты при по­стоянной температуре Г2 и имеющем КПД Ци,— 1—Т2/Т1. Для повы­шения этого КПД необходимо увеличивать Т и уменьшать Тг. В данном диапазоне максимальной (Т1) и минимальной (Т2) темпе­ратур эффективность цикла реальных тепловых двигателей — паро­вых и газовых турбин, паровой машины, двигателей внутреннего сгорания и др. — значительно ниже термического КПД цикла Карно, но она также повышается при увеличении средней температуры под­вода теплоты и уменьшении средней температуры отвода теплоты. Максимальные величины термического КПД при типичных значени­ях параметров рабочего тела составляют 0,48 для паросиловых установок и 0,36 для двигателей внутреннего сгорания и газотурбин­ных установок, что в 1,5—2,5 раза ниже, чем в цикле Карно.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудо^- вание, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в тепло­ту и электроэнергию. Для эффективной работы 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. Районы, в которых годовое количество осадков не превышает 250 мм, занимают около 7в части всей суши Земли. На поверхность самых больших пустынь мира общей пло­щадью 20 млн. км2 (площадь Сахары 7 млн. км2) за год поступает около 5-1016 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.

В настоящее время строятся солнечные электростан­ции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа. Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа (рис. 4), была вы­сказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была вве­дена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электро­станция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каж­дый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентри­руют солнечную энергию на центральный приемник в ви­де открытого цилиндра, установленного на башне высо­той 89 м и служащего парогенератором. Строительство

СЭС-5 обошлось в 30 млн. руб., а удельная стоимость установленной мощности равна 6 тыс. руб/кВт.

Выполнены технико-экономические расчеты и проект­ные проработки блочных СЭС общей мощностью 200 и 320 МВт, включающих четыре блока по 50 и 80 МВт. Удельные капиталовложения составят 1500 руб/кВт.

В США израильской фирмой «Луз» в 1988 г. были построены семь и продолжалось строительство еще ше­сти СЭС мощностью 30 МВт и стоимостью 104 млн. долл. каждая, а в 1992 г. предусмотрен ввод в действие круп­ной СЭС мощностью 350 МВт,

2 г—I '

{_[ Рис. 4. Схема солнечной

Электростанции башенно­го типа:

I — гелиостаты; 2 — цент* ралъный приемник нэлуче - вня; 3 — оборудование

Станции

Для покрытия потребностей в электроэнергии всей Западной Европы достаточно построить в Испании се­рию СЭС на площади, занимающей 1,8 % ее территории. При этом ими будут заменены атомные электростанции.

В’ Каракалпакии предусмотрено строительство ком­бинированной солнечно-топливной электростанции об­щей электрической мощностью 300 МВт. Мощность сол­нечного блока 100 МВт, требуемая площадь 200 га, вы­сота башен 300 м. Расчетная годовая экономия топлива составляет 80 тыс. т условного топлива.

В СЭС распределенного (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 более экономичны СЭС модульного типа. В то же время башенные СЭС мощно­стью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощ­ность равна 100 МВт, а высота башни 250 м. В СЭС мо­дульного типа обычно используются линейные концент­раторы солнечной энергии с максимальной степенью

Концентрации около 100, а в башенных СЭС использует­ся центральный приемник с полем гелиостатов, обеспе­чивающим степень концентрации в несколько тысяч. Во втором случае система слежения за Солнцем значитель­но сложнее, так как при этом 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.

В ряде стран разрабатываются гелиоэнергетические установки с использованием так называемых солнечных прудов. На озере Солтон Си (Калифорния, США) пло­щадью 932 км2 предусмотрено сооружение СЭС с мощ­ностью модуля 5 МВт, с дальнейшим развитием до 50 МВт и доведением общей мощности СЭС до 600 МВт, при этом будет использоваться 15 % всей площади озе­ра. В 1987 г. в Израиле построена СЭС мощностью 5 МВт с площадью солнечного пруда 0,25 км2, в даль­нейшем намечено построить две СЭС по 20 МВт (пло­щадь пруда 1 км2) и СЭС 50 МВт (площадь 4 км2), а затем на Мертвом море (площадь 500 км2) будет созда­но несколько СЭС мощностью по 50 МВт и до 2000 г, предусмотрено ввести в строй серию СЭС по 50—100 МВт общей мощностью 2000—3000 МВт.

СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом. Стоимость производства 1 кВт*ч электроэнергии состав­ляет 0,1 долл., что в 4,5 раза дешевле, чем на СЭС ба­шенного типа.

Главными недостатками башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт — все­го 50 га. В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18 млн. км2 в океане.

Энергия солнечной радиации может быть преобразо­вана в постоянный электрический ток посредством сол­нечных батарей — устройств, состоящих из тонких пле­
нок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффектив­ным использованием как прямой, так и рассеянной сол­нечной радиации. Модульный тип конструкции позволя­ет создавать установки практически любой мощности и далает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10—12 %),

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближ­ней инфракрасной областях спектра. В солнечном эле­менте из полупроводникового кремния толщиной 50мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в элек­трическую посредством р — п соединения (рис. 5).

Стоимость кремниевых элементов в США снизилась с 1970 г. по 1985 г. с 60 до 8 тыс. долл/кВт пиковой мощ­ности. Успешно ведутся работы в США, Японии, ФРГ и Франции по созданию тонкопленочных солнечных эле­ментов с удельной стоимостью 1000 долл/кВт. Ежегодный прирост сбыта солнечных батарей в мире составляет 35 % и в 1990 г. он должен достичь 500 МВт при стои­мости 3000 долл/кВт. В настоящее время 25 % мирового производства солнечных батарей приходится на Японию.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной ра­
диации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД с 20 до 35 %. Суммарная мощность сол­нечных ФЭП на основе аморфного кремния в 1985 г. составила 19 МВт. В США намечено строительство фо­тоэлектрической электростанции мощностью 100 МВт, причем для размещения солнечных батарей потребуется участок площадью 110 га. Ожидается, что КПД станции составит 23 %, а годовая выработка электроэнергии — 216 ГВт-ч. Для обеспечения конкурентоспособности фо­тоэлектрических станций по сравнению с ТЭС и АЭС их стоимость должна снизиться в 5—10 раз и достичь 300—■ 500 долл/кВт.

Есть все основания полагать, что для достижения этой цели потребуется не так уж много времени. Наш оптимизм базируется на новейших достижениях в обла­сти разработки высокоэффективных солнечных элемен­тов. Так, в 1989 г. фирмой «Боинг» (г. Сиэтл, США) создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупро­водников — арсенида и антимонида галлия — с коэффи­циентом преобразования солнечной энергии в электри­ческую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходя через этот слой, поглощается и преобразуется в электри­чество во втором слое: (антимонид галлия), в итоге КПД Составляет 28%+ 9% =37%, что вполне сопоставимое КПД современных тепловых и атомных электростанций. По прогнозу через 3 года эти солнечные элементы най­дут применение в космосе, а в течение 10 лет их стои­мость снизится настолько, что станет вполне экономиче­ски обоснованным их применение в наземных системах, при этом себестоимость вырабатываемой энергии соста­вит 0,1 долл/(кВт-ч).

Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для электроснабжения авто­номных потребителей мощностью до 1 кВт, питания ра­дионавигационной и маломощной радиоэлектронной ап­паратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совер­шенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснаб­

Жения, т. е. отопления и горячего водоснабжения, а так­же для выработки электроэнергии для освещения и пи­тания бытовых электроприборов.

По прогнозам к 2010 г. суммарная мощность СЭС в мире должна достичь 128,5 млн. кВт, в том числе СЭС с термодинамическим преобразованием — 115 млн. кВт, с солнечными прудами — 3,5 млн. кВт и фотоэлектриче­скими установками — 10 млн. кВт. В дополнение к это­му предусматривается доведение мощности ВЭУ до 2,8 млн. кВт.

Себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии в 1987 г. со­ставляла 0,68—1,37 долл. (солнечные батареи), 0,22— 0,57долл. (ВЭУ), по прогнозу в 1992 г. она снизится до 0,28—0,57 долл. (солнечные батареи), 0,07—0,12 долл. (СЭС и ВЭУ). Эти последние цифры не намного отли­чаются от аналогичных показателей для ТЭС и АЭС.