ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ. 1.1. Принципы построения оптических систем СЭС

СЭС является сложной многоуровневой технической системой, предназначенной для преобразования в промышленных масштабах энергии солнечного излучения в электрическую. На разных эта­пах проектирования такой системы возникает ряд задач, тре­бующих специального исследования.

Наименее изученной и наиболее дорогостоящей частью СЭС является оптическая система, состоящая из множества отдель­ных зеркал-гелиостатов и пучевоспринимающей поверхности приемника, расположенного на башне. С оптимизацией этой системы связаны значительные резервы улучшения технических и экономических показателей СЭС.

Данная глава посвящена принципам построения оптических систем СЭС, вопросам математического моделирования и опти­мизации режимов работы рагпичных вариантов оптических сис­тем СЭС, анализу их оптико-энергетических характеристик.

В современной научно-технической литературе-сложился оп­ре цеп еннный стереотип,, согласно которому термодинамическая СЭС рассматривается в качестве своеобразной модификации традиционной ТЭС, в которой первичный топливный источник энергии заменен новым 'солнечным' источником, что допуска­ет применение обычной энергетической терминологии,, однако не совсем раскрывает специфическую проблематику создания СЭС.

Проблема преобразования солнечного источника энергии состоит в том, что параметры излучения и непосредственный тепловой эффект^ получаемый в естественных наземных'усло­виях, позволяют преобразовать первичный поток солнечной радиации низкой плотности только в низкопотенциальное тепло. Для согласования параметров лучистого потока с высокими термодинамическими характеристиками теплосиловых установок в современных схемах СЭС используется принцип предвари­тельной концентрации излучения, известный из опыта создания высокотемпературных солнечных печей. Однако применение прин­ципа концентрации первичного потока радиации с помощью зер­кальных систем указывает лишь концептуальное решение проб­лемы и в свою очередь порождает круг проблем зеркальной оп­тики крупномасштабных широкоапертурных концентраторов с из­меняющейся геометрией.

Концентрация излучения, собираемого с большой площади и сосредоточиваемого на относительно малой приемной поверх­ности, является термодинамической необходимостью и позволя­ет преобразовывать лучистую энергию в тепло и передавать ее теплоносителю на достаточно высоком температурном уровне, обеспечивающем высокий КПД дальнейшего преобразования энергии в теплосиловой установке.

Первичное улавливание лучистого потока осуществляется отдельными зеркальными элементами - гелиостатами. Гелио­статы заполняют определенный земельный участок и направ­ляют отраженное излучение на центральный приемник, располо­женный на вершине башни.

СЭС башенного типа большого масштаба с ЦП энергети­чески выгоднее СЭС с распределенным приемником, так как передача энергии в форме излучения от гелиостатов к прием­нику осуществляется практически без потерь в отличие от пе­редачи тепла теплоносителем от приемников малых рассредо­точенных концентраторов к центральной теплосиловой установ­ке [116] или от схем с большим количеством относительно малых самостоятельных энергетических модулей [132].

Изменение геометрии оптической системы в течение дня является основной характерной чертой работы наземной СЭС. Космическую СЭС можно объединить в единую жесткую кон­струкцию, подобную концентратору СОЛШЧНОЙ печи и ориенти­руемую как целое относительно Солнца. В наземных условиях подобный принцип реализован в крупногабаритных зеркальных радиотелескопах, но для крупных СЭС он неприменим. Попыт­ка сохранить этот принцип была предпринята в первом проек­те башенной СЭС [ 1 ], в котором зеркала перемешались по ' концентрическим рельсовым путям вокруг башни. В реализо­ванных проектах экспериментальных СЭС принцип моноконцен­тратора не применялся, но время от времени он встречается в предложениях по созданию СЭУ мощностью до 2 МВт [29, 137].

В современных проектах [8, 40, 69, 73, 75, 78] по­зиции зеркал фиксированы, изменяется лишь их ориентация. Зеркала ориентируются так, чтобы при изменении направления падающих лучей, обусловленном видимым перемещением Солн­ца, направления отраженных потоков оставались бы постоян­ными и для каждого гелиостата совпадали с направлением из­лучения на неподвижный приемник. Для этого зеркала снабже­ны механизмами ориентации и автоматикой, изменяющими ори­ентацию каждого гелиостата так, чтобы нормаль к зеркалу в любой момент времени совпала с биссектрисой плоского угла, образованного направлениями гелиостат-Солнце и гелиостат­приемник.

Характерные потери оптико-геометрического происхождения являются следствием отказа от перемещения позиций зеркал. Наряду с ними имеются оптико-физические и тепловые потери.

Потери проекции зеркальной поверхности неизбежны для на­земной СЭС с фиксированным зеркальным полем, В каждый данный момент наиболее эффективно работают те зеркала, для которых направления на Солнце и на приемник близки. Они почти перпендикулярны лучам и перехватывают максимально воз­можную часть первичного потока. Пределы азимутального пе­ремещения Солнца очень широки, поэтому ни один фиксирован­ный гелиостат не находится в оптимальных условиях в течение всего дня. Ввиду преимущественного дневного движения Солн­ца в южной части небесной сферы гелиостаты, расположенные к северу от башни, работают в среднем более эффективно.

Эффективная площадь гелиостата определяется проекцией зеркала на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам. Сио - тема зеркал не может уловить поток, больший падающего в данный момент на отведенный под нее земельный участок.

А этот предельный поток в свою очередь определяется проек­цией земельного участка на плоскость, перпендикулярную лучам.

Потери затенения зеркальной поверхности возникают при низком положении Солнца, когда проекция земельного участка становится меньше суммы проекций зеркал и когда проекции отдельных зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на поле со стороны Солнца.

Коэффициент заполнения земельного участка зеркалами, равный отношению площади гелиостата к площади отведенной под него земли, связан с уровнем угловых высот Солнца, ни­же которого начинается затенение. Чем ниже коэффициент за­полнения, тем ниже этот уровень. Однако эта связь неодно­значна, так как при одном и том же значении коэффициента 'заполнения геолиостаты могут быть по-разному расположены один относительно другого.

Потери блокировки зеркальной поверхности аналогичны по­терям затенения, но относятся не к падающему, а к отражен­ному излучению. Они возникают тогда, когда проекции зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на зеркала со стороны приемника. В отличие от затенения, при котором рассматривается проекция зеркал на единую плоскость, перпендикулярную всему потоку падающих лучей, блокировка

определяется центральной проекцией на сферическую поверх­ность, перпендикулярную отраженным лучам, сходящимся к приемнику. Другое отличие состоит в том, что стремление ис­ключить потери блокировки приводит к необходимости приме­нять переменный по полю коэффициент заполнения. Дальние от башни гелиостаты должны быть удалены друг от друга в ради­альном направлении на большие расстояния, чем ближние.

Расхождение лучей в каждом элементарном потоке, отражен­ном от единичного гелиостата, также косвенно связано с поте­рями определенного рода. Уже сам первичный поток лучей не вполне параллелен, так как Солнце не является точечным ис­точником. При отражении потока на эту первичную непараллель­ность накладываются дополнительные отклонения лучей, связаннь с дефектами зеркала. Наконец, системы ориентации гелиостатов также вносят ошибки. Так как нас интересует интегральный эффект от многих гелиостатов, то можно рассматривать сум­марный эффект влияния дефектов зеркала и ошибок ориентации и описывать этот эффект некоторым среднестатическим зако­ном расхождения лучей в отраженном потоке.

Потери неполного улавливания приемником отраженного по­тока обусловлены расхождением лучей и могут снизить полезны вклад гелиостатов периферийной части поля. Эти потери зави­сят только от соотношения геометрических размеров гелиоста­та, приемника и расстояния между ними и не связаны с рассе­янием излучения атмосферой. Толща земной атмосферы отсеи­вает спектральные компоненты, подверженные поглощению и рассеянию, уже на пути солнечного луча к гелиостату, так что оставшаяся часть спектра практически не ослабляется при. дальнейшем следовании луча от гелиостата к приемнику Даже при больших расстояниях между ними.

Потери неполного отражения обусловлены оптико-физичес­кими свойствами и состоянием зеркального покрытия гелиоста­тов и в отличии от потерь оптико-геометрического происхож­дения являются постоянно действующим фактором, который описывается коэффициентом отражения. Коэффициент отражения зависит от угла падения лучей, но этот эффект второго поряд­ка практически не влияет на характеристики СЭС. Реальное влияние на работу СЭС может оказать ср е д неэ кспп уа таци о нны й уровень запыленности зеркальной поверхности.

Тепловые потери с лучевоспринимающей поверхности прием­ника определяются режимом работы теплосиловой установки СЭС. Ознако они должны учитываться в схеме расчета опти­ческой системы, так как приемник является ее неотъемлемой 12 частью и тепловые потери зависят от тех же параметров (фор­мы и размеров приемника), которые влияют на потери непол­ного улавливания лучистого потока.

Именно эта связь и составляет основную проблему проек­тирования оптических систем СЭС. Оптическая система должна удовлетворять набору противоречивых требований. Например, зеркала должны достаточно плотно заполнять земельный учао - ток, чтобы собирать и отражать на приемник достаточно боль­шую долю падающего на этот участок первичного потока ра­диации. Вместе с тем зеркала не должны затенять и блокиро­вать друг друга во избежание потерь эффективной площади суммарной зеркальной поверхности. Зеркальная система должна создавать достаточно высокую плотность потока излучения на ‘ пучевоспринимающей поверхности и, следовательно, содержать большое число отдельных элементов. Но увеличение числа эле­ментов требует наращивания периферийной части поля, гелио­статы которой вследствие эффекта расхождения лучей вносят (каждый отдельно) все меньший вклад в суммарную концентра­цию и увеличивают размеры 'фокального ядра' сконцентриро­ванного потока, требуя все больших размеров приемника и обесценивая вклад в средний уровень концентрации от ближних гелиостатов.

Совокупность этих и других особенностей работы оптичес­кой части СЭС превращает ее в систему с сильными внутрен­ними связями, нарушение каждой из которых может привести к утрате ее основного функционального качества - концентри­рующей способности. С другой стороны, система преобразова­ния энергии - теплосиловой комплекс СЭС также представля­ет собой систему с сильными внутренними связями, обуслов­ленными номинальными режимами работы применяемого обо­рудования и допусками на отклонения от этих режимов. Опи­сания этих двух подсистем СЭС (оптической и термодинами­ческой) принципиально отличаются и формулируются в тер­минах двух различных областей знаний.

Таким образом, приемник СЭС, являясь одновременно частью оптической и термодинамической подсистем, должен удовлетворять двум разнотипным наборам требований, а на допустимые вариации параметров подсистем кроме собствен­ных ограничений должны быть наложены дополнительные вза­имные ограничения, обусловленные опосредованной связью подсистем через теплотехнические и оптико-геометрические параметры приемника-парогенератора.

К настоящему времени в различных странах задействовано 7 экспериментальных СЭС электрической мощностью от 0,5 до 10 МВт. Наиболее крупными проектами являются СЭС Solar = 1 в Барстоу (Калифорния, США) мощностью 10 МВт и отечественная СЭС-5 (в 1985 г. введен в действие пусковой комплекс). Сводные характеристики оптических систем этих станций приведены в табл. 1.