ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 2.1. Общие положения

СЭС с термодинамическим циклом преобразования энергии в общем виде включает в себя следующие системы: оттиче о­кая система улавливания падающей радиации; теппоприемник для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую, которая передается теплоносителю; система переноса теплоно­сителя от солнечного теплоприемника к аккумулятору или теп­лообменнику , в котором нагревается рабочее тело; система ак­кумулирования тепла; теплообменники, образующие горячий и холодный источники. В практике встречаются две принципиаль­ные схемы СЭС.

В первой схеме реализуется двух контурная компоновка. | В этом случае в солнечном теплообменнике происходит нагрев теплоносителя, который поступает в аккумулирующую систему, служащую источником тепла для рабочего тела, циркулирую­щего во втором контуре, Аккумулятор здесь выполняет роль буфера в системе солнечный теппоприемник - нагреватель ра­бочего тела.

Во второй одноконтурной схеме контур теплоносителя оцно - Бременно является и контуром рабочего тела. Рабочее тело нагревается в солнечном теплодриемнике и подается частично на вход тепловой машины, частично в аккумулятор. .

В первой схеме по сравнению со второй происходит в сред­нем большее снижение температурного напора в процессе аккумулирования, возврата теплоносителя и при теплообмене между теплоносителем и рабочем телом. Во второй схеме по­тери происходят лишь при аккумулировании и возврате тепло­носителя. Однако при двухконтурной схеме параметры рабочего тела на входе в тепловую машину не подвержены случайным колебаниям, что характерно для одноконтурной схемы, которая. для стабилизации параметров требует более сложную систему регулирования.

В существующих СЭС башенного типа используются следую­щие теплоносители и рабочие тела: вода (водяной пар), натрий, расплав солей, воздух и гелий. При использовании в* схеме СЭС натрия и расплава солей нужны два контура - теплоносителя и рабочего тела, в качестве которого чаше всего служит вода. При этом реализуется паросиловой цикл Ренкина. Когда же ра­бочим телом является воздух или гелий, реализуется цикл Брайтона.

Разработка СЭС с циклом Брайтона в настоящее время осу­ществляется в основном по комбинированной схеме, т. е. с по­догревом рабочего тепа (воздуха) в камере сгорания путем сжигания органического топлива. Комбинированным схемам посвящена гл. 4; здесь же будут анализироваться тепловые схемы, параметры термодинамического цикла и состав техноло­гического оборудования СЭС башенного' типа с циклом Ренкина.

При разработке проектов первых СЭС с термодинамическим циклом преобразования проектировщики стремились максималь­но использовать стандартное тепломеханическое оборудование [115]. Так, турбоагрегаты крупных СЭС практически не тре­буют больших специальных разработок и являются типовыми и отработанными ©лементами традиционной энергетики. При кон­струировании солнечных теплоприемников и теплообменни­ков для получения рабочего тепа нужных параметров. во всех проектах по мере возможности обеспечивалось соответствие выходных параметров (давление, температура) входным параметрам турбин. Параметры рабочего тела, гене­рируемого за счет аккумулированного тепла при одноконтур - ■ н°й схеме, всегда ниже параметров, получаемых на выходе из приемника солнечного излучения. В этом случае требуется,

турбина с двумя входами: для острого пара и пара пониженных параметров, что приводит к снижению мощности станции во Ире мя разряда аккумулятора. Паровые турбины пригодны к исполь­зованию в широком диапазоне изменений размеров, конструкций и эксплуатационных условий, хотя отмеченная выше особенность несколько ограничивает выбор турбин достаточно большой мощности (200 МВт и более). Следует отметить, что и соз­дание крупных стационарных ГТУ (100 МВт и выше) связано ; с решением целого ряда важных задач. Прежде'всего, необ - ■ ходимо повысить начальную температуру газа перед турбиной, « чтобы повысить КПД цикла. Это требует создания новых жаро-4 прочных материалов, способных устойчиво и длительно работат* при максимальных температурах. Не решена также и проб - j лема повышения эффективного КШД компрессора.

Из пяти возможных теплоносителей и рабочих тел '(вода/пар расплавленная соль, натрий, воздух и гелий) наиболее распро­страненным и технически доступным является водяной пар. При! менение в качестве рабочего тела водяного пара в сочетании с аккумулятором тепла, хотя и не является оптимальным вари­антом, но зато может быть осуществлено без особых техни­ческих новшеств, что немаловажно при создании такого нового энергетического объекта, как СЭС. Это нашло свое отражение и на практике - на пяти из семи действующих СЭС теплоноси­телем и одновременно рабочим телом является водяной пар. Разработка проектов СЭС с использованием в тепловой схеме приемника воды пара осуществлялась компаниями Honeywell Martin Marietta и McDonnell Douglas по заказу ми­

нистерства энергетики США. Принципиальная тепловая схема по концепции компании Honeywell представлена на рис. 11.

Работа станции может осуществляться следующим образом. При уровне инсоляции, достаточном для генерирования пара тр буемых параметров, часть пара, вырабатываемого в солнеч­ном парогенераторе, направляется на вход паровой турбины, где, проходя по ступеням, пар совершает работу расширения, приводя во вращение электрический генератор. Отработавший пар конденсируется и через систему регенеративных подогре­вателей подается на вход солнечного парогенератора. Другая часть пара, проходя через двухступенчатую систему теплового аккумулирования, отдает тепло вначале расплаву солей типа Hitec, а затем - маслу и конденсируется. Расплавленная соль собирается в горячем баке, а разогретое масло нагревав! гравий в масляно-гравийном аккумуляторе, работающем с ис­пользованием эффекта Thermociine Іскачок температуры).

Конденсат hapa. сливается в деаэратор.

' При недостаточном уровне инсоляции турбина работает на паре пониженных параметров, генерируемом низко - и высоко - 'Температурной системами аккумулирования, причем ббпьшая часть тепла накапливается в низкотемпературной ступени. Пи­тательная вода в этом случае подается через систему тепло­обменников, где вначале получает тепло от разогретого мао - па. а затем - от расплавленной соли. Масло и соль, отдавшие свое тепло на подогрев воды, парообразование и перегрев па-

ра, спиваются, соответственно, в нижнюю часть маспяно-га - печного аккумулятора и холодный бак.

В отличие от концепции компании Honeywell для СЭС электрической мощностью ЮО МВт, включающей в себя 4 мо. дуля, компания Martin Marietta для СЭС электрической

мощностью 150 МВт предложила 15 модулей, считая, что такая концепция обеспечит максимальный КПД оптической сио. темы, термическую эффективность, надежность JI гибкость ЭКО плуатации СЭС, В соответствии с этой концепцией сконцентри рованные солнечные лучи направляются на вход полостного солнечного парогенератора каждого из 15 модулей, где пита­тельная вода преобразуется в пар, который через коллектор­ную систему поступает на вход паровой турбины и в тепловой аккумулятор.

Недостатком этой концепции является наличие длинной и раЯ ветвленной системы трубопроводов, вызывающих значительные! перепады давления ( ~ 138 МПа) между солнечными прием- I никами и паровой турбиной. С другой стороны, такая много - > модульная конструкция позволяет осуществлять необходимые ■ ремонтные и профилактические работы на одном или на нескош| ких модулях, сохраняя при этом жизнеспособность станции в цепом, хотя и при меньшем уровне располагаемой мощности.

Система аккумулирования тепла в концепции компании Martin Marietta также двухступенчатая: низкотемпературная ступень на основе органического масла и высокотемператур­ная - на основе расплава солей. Такая система аккумулиро­вания включает в себя достаточно большое число различных емкостей для горячих и холодных теплоаккумулирующих сред, а также распределительные клапаны и запорно-регулируюшую арматуру.

В отличие от двух вышеуказанных концепция, компании McDonnel Douglas (США) для СЭС электрической мощностью 100 МВт включает в себя одномодупьную конструкцию, но с большей высотой башни (268 вместо 90 м) в концепции ком­пании Martin Marietta (США). Применяемый при этом солнечный приемник открытого типа, хотя и Имеет более низкую, чем полостной, эффективность, требует меньше капи-^ галовложений, что в какой-то степени компенсирует большее! количество гелиостатов, необходимых для получения одной и! той же выходной МОЩНОСТИ. ■

В концепции компании McDonnell Douglas (США) отражен­ное с гелиостагного поля солнечное излучение направляется на круговой 24-панельный приемник, шесть панелей которого

обращенных к югу, служат для нагрева питательной воды. Пере­гретый пар от приемника затем направляется к тепловому ак­кумулятору и паровой турбине, в которой предусмотрена воз­можность подачи пара высоких и пониженных параметров. Сио - тема аккумулирования основана на эффекте Thermocline, когда горячая и холодная среда содержатся в одной емкости и имеют большой температурный градиент. Поскольку аккумулирующая среда - масло - является относительно дорогим продуктом, на­ряду с, ним используется гравийная засыпка. Из-за темпера­турных ограничений для масла параметры пара, получаемого на выходе аккумулятора, ниже параметров острого пара, в свя­зи с чем термодинамическая эффективность цикла преобразова­ния снижается.