Недостатки тепловых сэс башенного типа

При словосочетании “солнечная электростанция” большинство читателей представляет систему из черных, прямоугольных панелей, расположенных в пустыне или на крыше дома. Однако в широком смысле солнечной электростанцией может называться любое устройство, способное тем или иным образом трансформировать тепло и свет солнца в электричество. Именно поэтому существуют разные виды солнечных электростанций, использующих различные способы такой трансформации.

Солнечное электричество: доступное и разнообразное

Извлекать пригодную для бытового использования электроэнергию из солнечных лучей можно различными методами, технология не ограничивается фотоэлектрическими панелями. Конечно, большинство конструкций слишком сложны или дорогостоящие, чтобы применять их в домашних СЭС, но в некоторых регионах мира на их основе работают полноценные промышленные генераторы. Ниже мы расскажем, как устроены солнечные электростанции: преимущества, недостатки и принцип работы.

Как устроены фотоэлектрические электростанции

Фотоэлектрические электростанции наиболее узнаваемы и распространены по всему миру. Это те самые “черные, прямоугольные панели”, которыми обвешаны крыши европейских домов и усеяна Невада.

Как работает солнечная электростанция такого типа объясняют на уроках физики — в основе фотоэлектрической технологии лежат кремниевые полупроводники, способные извлекать энергию фотонов из потока света, которая затем трансформируется в электрическую. За счет этого СЭС может эффективно работать даже зимой — температура воздуха не важна, достаточно только солнечного света.

Благодаря компактности и дешевизне технологии, купить солнечную станцию можно практически в любом регионе мира по доступной для среднестатистического покупателя стоимости. Из недостатков фотоэлектрических модулей можно назвать:

• Деградацию полупроводников — со временем они разрушаются и КПД фотоэлектрической СЭС будет постоянно падать;
• Относительно невысокую эффективность — большинство панелей выдает 20-24% КПД.

Правда, в защиту фотоэлектрических панелей можно сказать, что технология постоянно развивается, поэтому их стоимость устойчиво падает, а КПД растет — уже есть прототипы с производительностью до 44-46%.

Что такое параболоцилиндрические концентраторные солнечные электростанции

В основе параболоцилиндрической солнечной станции лежит большое по площади параболическое (полукруглое) зеркало с внутренней отражающей поверхностью. Зеркало фокусирует солнечные лучи на специальный цилиндрический резервуар с тепловым агентом. За счет концентрации лучший теплоагент нагревается и испаряет воду, пар крутит турбину генератора.

Как работает солнечная электростанция с парабольными зеркалами проверяли в Калифорнии в 80-х, но позже от нее отказались как от нерентабельной и малоэффективной. Однако в регионах с более высокими температурами параболоцилиндрические СЭС используются до сих пор.

Такая станция на 500 мВт и с полумиллионом зеркал работает в марокканской Сахаре.

Башенные электростанции

Башенные СЭС появились как дальнейшее развитие применения зеркал в получении и трансформации солнечной энергии. Это крупные солнечные электростанции, принцип работы которых построен на кипячении воды: в центре СЭС стоит башня, на вершине которой резервуар с водой, вокруг нее расположены сотни (или тысячи) отражающих солнечный свет гелиостатов. Гелиостаты автоматически корректируют угол наклона, чтобы концентрировать свет на резервуаре с водой, при нагревании вода испаряется, а пар крутит турбину генератора.

• Как и в параболоцилиндрических, КПД башенных СЭС зависит от температуры окружающей среды.
• Для нормальной работы требуется большая площадь и сложные системы авторегулирования отражателей.

Крупнейшая башенная электростанция построена на территории Израиля. При высоте башни в 240 м и 500 зеркалах она может вырабатывать до 121 мВт электроэнергии. В 2011-м в Испании тестировалась усовершенствованная технология с соляным теплоносителем вместо воды, такое нововведение позволяет СЭС работать круглосуточно, а не только на протяжении светового дня.

Чем отличаются тарельчатые электростанции

Тарельчатые электростанции используют тот же принцип работы, что и башенные, но в их конструкции нет центрального элемента — башни. Вместо нее на каждом гелиостате в точке фокуса солнечных лучей установлен фотонный двигатель Стирлинга. То есть солнечная электроэнергия вырабатывается не централизованно, а каждой зеркальной “тарелкой”, после чего подается в общую сеть.

Технология относительно новая и тестировалась швейцарскими разработчиками в 2015-м на юге Африки. Несмотря на то, что тарельчатые СЭС имеют те же недостатки, что и башенные, их КПД за счет применения фотонных двигателей возросло до 34% — больше, чем у средних фотоэлектрических панелей.

В более простых и дешевых аналогах двигатель Стирлинга заменяется на резервуар с теплоносителем, который испаряет воду, а пар крутит турбину генератора. Однако КПД в таких моделях ниже.

Солнечно-вакуумные электростанции: 100% экологические

Вообще, принцип работы солнечной электростанции данного типа был запатентован во Франции еще в 29-м году прошлого века. Такая СЭС генерирует энергию за счет естественного движения теплого воздуха вверх (в область низкого атмосферного давления). Работает это так:

1. Стеклянным куполом накрывается большой участок земли. В центре купола устанавливается высокая труба с турбиной.
2. При попадании солнечных лучей температура внутри купола растет, а разогретый воздух устремляется вверх через трубу.
3. Этот поток воздуха крутит турбину генератора, установленную в трубе.

Как можно понять, конструкция максимально проста и не может повлиять на окружающую среду. Однако распространения солнечно-вакуумные электростанции не получили, поскольку:

• Требуется высокая температура окружающей среды;
• Купол должен накрывать большую площадь, а это сложно и дорого;
• У таких СЭС невысокий КПД.

Экспериментировать с технологией попытались в Китае, где в 2010-м возвели крупнейшую в мире солнечно-вакуумную электростанцию. В результате, чтобы получить 200 кВт энергии, потребовалось накрыть куполом почти 280 Га земли.

Что такое комбинированные солнечные электростанции

Комбинированными СЭС называют системы, которые используются не только для генерации электричества, но и обеспечения других видов энергоснабжения (как правило, для подогрева воды). Комбинированная станция может включать фотоэлектрические панели и гелиоконцентраторы, которые справляются с подогревом эффективнее.

Правильно выбранная и установленная комбинированная солнечная электростанция (отзывы подтверждают это) может обеспечить:

• электроэнергию;
• горячее водоснабжение;
• отопление дома.

При наличии достаточного количества модулей и уровня солнечной активности в регионе комбинированные СЭС способны сделать частный дом полностью энергоавтономным или как минимум сократить коммунальные расходы.

Достоинства и недостатки СЭС

Достоинства солнечных электростанций. (Достоинства СЭС)

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечных электростанций. (Недостатки СЭС)

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
• При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.
• Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
• Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией.

Преимущества солнечной энергии

Не требует подключения к центральной энергосети.

Установив солнечную электростанцию вы становитесь абсолютно независимы от внешних источников электричества. Вам даже не нужно подключаться к электросетям.

Теперь вам не нужно, копить на взятку чиновнику и оббивать пороги электросбытовой компании в поисках лишнего киловатта электроэнергии.

Не нужно платить за электричество.

• Вы много платите за электричество?
• Нет не очень?
• А сколько это в год?
• А за десять лет?
• А за двадцать лет?

Преимущество солнечной электростанции в том, что вы платите только за ее приобретение, а дальше солнце будет работать на вас АБСОЛЮТНО БЕСПЛАТНО.

Полная автономность системы.

У поставщика электричества могут быть плановые отключения, неполадки и обрывы линии или повышения тарифов — вас это не касается! Вы сами устанавливаете правила на своем участке.

Возможность коллективного подключения.

Безусловно — стоимость станции это серьезное вложение. Солнечную станцию можно приобрести на несколько участков или домов. Скажем вы решили подключить не один а четыре дома. Цена при этом увеличится на 30-60%, но вы заплатите лишь 25% от этой суммы. Подключите систему совместно со своими соседями.

Долгий срок службы.

Солнечная электростанция (СЭС) будет служить вам около 25 лет. Причем она не выйдет из строя ежесекундно. Просто со временем могут ухудшится некоторые показатели. При этом не нужно менять всю станцию. Можно, например, докупить новый модуль к уже существующим за значительно меньшие деньги или дополнить станцию новым аккумулятором.

Нет всплесков и отключений энергии.

Вам когда-нибудь случалось переписывать все заново, после того, как от перепада напряжения завис ваш компьютер. Не стоит уже и говорить о том, что от электрических всплесков могут перегореть или воспламениться бытовые приборы, находящиеся в ждущем режиме.

С солнечной электростанцией такого не бывает. Это источник высококачественного напряжения в доме.

Самая экологически чистая энергия.

Существуют и другие альтернативы центральной сети энергопотребления: дизельный генератор, ветряная станция. Но согласитесь, что жить под грохот дизеля и запах солярки на террасе или ощущая постоянную вибрацию и гул ветряка это не то о чем вы мечтали.

Типы солнечных электростанций

Солнечные электростанции башенного и с концентратором параболического типа продуктивно работают в составе объемных соединений с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, между тем конструкции тарельчатого вида состоят из модулей и могут использоваться как самостоятельно, так и группами общей мощностью в несколько Мегаватт. Современные автономные солнечные электростанции могут получить гораздо большее распространение в индивидуальной электрификации частных домов и небольших общественных зданий из-за своей мобильности и небольших размеров.

Электростанции башенного и тарелочного типа позволяют получить более высокое КПД преобразования солнечной энергии в электрическую при меньший стоимости оборудования, чем у параболических, поэтому они также есть все шансы стать электростанциями близкого будущего.

Солнечные электростанции башенного типа (СЭС башенного типа)

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрыт чёрным цветом для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.

Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудоемкая задача — это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар.

В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20%) и высокие мощности.

Пример: СЭС, построенная в Крыму

Солнечные электростанции тарельчатого типа (СЭС тарельчатого типа)

Данный тип солнечных электростанций (СЭС) использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал — нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

Солнечные электростанции, использующие фотобатареи (СЭС, использующие фотобатареи)

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

Солнечные электростанции, использующие параболические концентраторы
(СЭС, использующие параболические концентраторы)

Принцип работы данных солнечных электростанций (СЭС) заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

Параболические установки на сегодняшний день наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятнее всего, будут применяться в ближайшем будущем в крупных проектах.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25%. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Комбинированные солнечные электростанции (Комбинированные СЭС)

Комбинированные электростанции могут совмещать в себе несколько типов солнечных электростанций. Так например на одной территории станции будут запараллелены установки тарельчатого или параболического типа и солнечных батарей. Также, другим примером может служить то, когда на солнечной электростанции дополнительно устанавливают теплообменные конструкции для получения горячей воды, которая может быть использована для горячего водоснабжения, отопления или технических потребностей.

Часто на солнечных электростанциях (СЭС) различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Аэростатные солнечные электростанции

Солнечные аэростатные электростанции самые энергоэффективные электростанции, они способны собрать до 97% солнечной энергии, при этом этот тип сооружений занимает малые территории поверхности, так как расположенное на поверхности земли оборудование занимает слишком мало места, а громоздкий баллон аэростата с фотоэлектрическим слоем, расположен в воздухе и способен поглощать солнечные лучи практически полностью в любое время суток, независимо от погодных условий за счет способности подниматься и опускаться на необходимую высоту.

Особо стоит отметить, факт того, что расположение таких электростанций не ограничивается поверхностью земли и воды. Китайский ученый Ван Ли предположил такой вид электростанций для использования в горах Тибета, с расположением баллонов аэростатов выше слоя облаков, при этом электроэнергией по расчетам ученого обеспечатся не только высокогорные районы, но и близ лежащие Китайские провинции.

ПОДМЕНЮ СЭС

• СЭС
• Виды СЭС
• Типы СЭС
• Плюсы и минусы СЭС
• Фотоэлементы
• Солнечные элементы
• Аэростатные СЭС
• Мобильные СЭС
• Солнечная энергетика
• Солнечная термальная энергетика
• Обзор технологий СЭС
• Развитие электроустановок СЭС
• Техника солнечной энергии
• Оптические системы СЭС
• Тепловые схемы СЭС
• Комбинированные СЭС
• Теплоаккумулирование на СЭС
• Использование энергии Солнца
• Существующие гелиоустановки
• Преобразователи солнечной энергии
• Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)
• Гелиоэлектростанции
• Солнечный коллектор
• Химические преобразователи солнечной энергии
• Космические солнечные электростанции
• Автомобиль на солнечных батареях
• Солнечная энергетика в России и на Украине
• Изобретения, основанные на солнечной энергии
• Плюсы и минусы солнечной энергетики
• Солнце и солнечная энергия
• Использование солнечной энергии
• Солнечные полупроводники

Тепловые солнечные электростанции башенного типа, системы концентрации солнечной энергии

Тепловые солнечные электростанции башенного типа – это инновационные устройства, которые используют системы концентрации солнечной энергии для преобразования ее в электричество.

Они состоят из большого количества зеркал, которые отражают солнечный свет на центральный приемник, расположенный на вершине башни. В приемнике нагревается жидкость, которая затем передает тепло в турбину. Таким образом, солнечная энергия превращается в механическую, а затем в электрическую.

Тепловые солнечные электростанции башенного типа имеют ряд преимуществ перед другими видами возобновляемой энергии.

Они могут работать круглосуточно, используя теплоаккумуляторы для хранения избыточной энергии. Они также могут достигать высокой эффективности, поскольку концентрация солнечного света повышает температуру жидкости. Кроме того, они не загрязняют окружающую среду и не требуют большого количества земли для размещения.

Солнце — источник исключительно «чистой» энергии. Сегодня во всем мире работы по использованию Солнца развиваются по многим направлениям. Прежде всего разрабатывается так называемая малая энергетика, включающая в основном отопление зданий и горячее водоснабжение. Но уже сделаны серьезные шаги и в области крупномасштабной энергетики — создаются солнечные электростанции на основе фотопреобразования и термопреобразования. В этой статье мы расcкажем о перспективах станций второго направления.

Технология концентрация солнечной тепловой энергии, также известная в мире как CSP (на английском языке: Concentrated Solar Power) — это тип солнечной электростанции, использующий зеркала или линзы для концентрации большого количества солнечного света на небольшой площади.

CSP не следует путать с концентрированной фотоэлектрической энергией — также известной как CPV (с английского — Concentrated Photovoltaics). В CSP концентрированный солнечный свет преобразуется в тепло, а затем тепло преобразуется в электричество. С другой стороны, в CPV концентрированный солнечный свет преобразуется непосредственно в электричество посредством фотоэлектрического эффекта.

Использование солнечных концентраторов в промышленных целях

Солнченая энергия

Солнце посылает в направлении Земли мощнейший поток лучистой энергии. Даже если учесть, что 2/3 ее отражается и рассеивается атмосферой, все равно земная поверхность получает за 12 месяцев 1018 кВт•ч энергии, что в 20000 раз больше, чем ее потребляют в мире за год.

И естественно, что использование этого неисчерпаемого источника энергии в практических целях всегда выглядело очень заманчиво. Однако время шло, человек в поисках энергии создал тепловую машину, перекрыл реки, расщепил атом, а Солнце продолжало ждать своего часа.

Почему же так сложно овладеть его энергией? Во-первых, интенсивность солнечного излучения меняется в течение суток, что крайне неудобно для потребления. Значит, солнечная станция должна иметь аккумулирующую установку или работать совместно с другими источниками. Но это еще не самый большой недостаток. Куда хуже, что плотность солнечного излучения на поверхности Земли очень низка.

Так в южных районах России она составляет всего 900 — 1000 Вт/м 2 . Этого достаточно лишь для нагрева воды в простейших коллекторах до температур не более 80 — 90 °С.

Она пригодна для горячего водоснабжения и отчасти для теплоснабжения, но отнюдь не для получения электроэнергии. Здесь нужны куда более высокие температуры. Чтобы повысить плотность потока, надо собрать его с большой площади и превратить из рассеянного в концентрированный.

Производство электроэнергии с помощью систем концентрирации солнечной энергии

Способы концентрации солнечной энергии были известны еще в глубокой древности. Сохранилась легенда о том, как великий Архимед с помощью вогнутых полированных медных зеркал жег римский флот, осаждавший в III веке до н. э. Сиракузы. И хотя эта легенда не подтверждена историческими документами, сама возможность нагрева в фокусе параболического зеркала любого вещества до температур 3500 — 4000 °С — факт бесспорный.

Попытки использовать параболические зеркала для получения полезной энергии начались во второй половине XIX века. Особенно интенсивные работы велись в США, Англии и Франции.

Экспериментальное параболическое зеркало для использования солнечной тепловой энергии в Лос-Анджелесе, США (около 1901 г.).

В 1866 году Огюстен Мушо использовал параболический цилиндр для производства пара в первой солнечной паровой машине.

Огромное впечатление на современников произвела солнечная силовая установка А. Мушо, демонстрировавшаяся на Всемирной промышленной выставке в Париже в 1882 году.

Первый патент на солнечный коллектор был получен итальянцем Алессандро Батталья в Генуе (Италия) в 1886 году. В последующие годы такие изобретатели, как Джон Эрикссон и Фрэнк Шуман, разработали устройства, работающие за счет концентрации солнечной энергии для орошения, охлаждения и передвижения.

Солнечный двигатель, 1882 г.

Солнечная установка Фрэнка Шумана в Каире

В 1912 году близ Каира была построена первая солнечная силовая установка мощностью 45 кВт с параболо-цилиндрическими концентраторами общей площадью 1200 м 2 , которая использовалась в системе орошения. В фокусе каждого зеркала размещались трубы. На их поверхности и концентрировались солнечные лучи. Вода в трубах превращалась в пар, который собирался в общем коллекторе и подводился к паровой машине.

Вообще надо отметить, что это был период, когда вера в фантастическую мощь фокусирующих зеркал завладела многими умами. Своеобразным свидетельством этих надежд стал роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина».

И действительно, в ряде производств такие зеркала получили широкое распространение. На этом принципе во многих странах построили печи для выплавки особо чистых тугоплавких материалов. Скажем, во Франции действует крупнейшая в мире печь мощностью 1 МВт.

А что же с установками для получения электрической энергии? Здесь ученые столкнулись с рядом трудностей. Прежде всего стоимость фокусирующих систем со сложными зеркальными поверхностями оказалась очень высокой. Причем с увеличением размеров зеркал затраты растут в геометрической прогрессии.

Кроме того, создать зеркало площадью 500 — 600 м 2 технически непросто, да и мощность с него можно получить не более 50 кВт. Понятно, что в этих условиях единичная мощность солнечного приемника существенно ограничена.

И еще одно важное соображение о системах с криволинейными зеркалами. В принципе из отдельных модулей можно собрать достаточно крупные системы.

Про действующие установки такого типа смотрите здесь: Примеры использования солнечных концентраторов

Параболический желоб, используемый на электростанции концентрированной солнечной энергии в Локхарте возле озера Харпер в Калифорнии (проект Mojave Solar)

Подобные электростанции были созданы во многих странах. Однако в их работе есть серьезный недостаток — сложность сбора энергии. Ведь в фокусе каждого зеркала установлен свой парогенератор, причем все они рассредоточены на большой площади. Значит, пар надо собирать от множества солнечных приемников, что очень усложняет и удорожает станцию.

Башня солнечной энергии

Еще в предвоенные годы инженером Н. В. Линицким была выдвинута идея тепловой солнечной электростанции с центральным солнечным приемником, размещенным на высокой башне (СЭС башенного типа).

В конце 1940-х годов, ученые Государственного научно-исследовательского энергетического института (ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского Р. Р. Апариси, В. А. Баум и Б. А. Гарф разработали научную концепцию создания такой станции. Они предложили отказаться от сложных дорогих криволинейных зеркал, заменив их простейшими плоскими гелиостатами.

Принцип работы солнечных электростанций башенного типа достаточно прост. Солнечные лучи, отражаясь от множества гелиостатов, направляются на поверхность центрального приемника — солнечного парогенератора, помещенного на башне.

В соответствии с положением Солнца на небосводе автоматически меняется и ориентация гелиостатов. В результате, в течение всего светового дня концентрированный поток отраженных от сотен зеркал солнечных лучей обогревает парогенератор.

Отличие конструкций СЭС, использующих параболические концентраторы, СЭС с концентраторами тарельчатого типа и СЭС башенного типа

Такое решение оказалось столь же простым, сколь и оригинальным. Но самое главное заключалось в том, что появилась принципиальная возможность создать крупные солнечные электростанции единичной мощностью в сотни тысяч кВт.

С тех пор концепция тепловой солнечной электростанции башенного типа получила мировое признание. Только в конце 1970-х годов годы такие станции мощностью от 0,25 до 10 МВт построены в США, Франции, Испании, Италии и Японии.

Солнечная башня СЭС Фемида в Восточных Пиренеях во Франции

По этому советскому проекту в 1985-м году в Крыму около города Щёлкино была построена экспериментальная солнечная электростанция башенного типа мощностью 5 мВт (СЭС-5).

На СЭС-5 был применен открытый круговой солнечный парогенератор, поверхности которого, что называется, открыты всем ветрам. Поэтому при пониженных температурах окружающего воздуха и больших скоростях ветра резко растут конвективные потери и существенно падает КПД.

Сейчас считается, что гораздо более эффективны приемники полостного типа. Здесь все поверхности парогенератора закрыты, за счет чего резко снижены конвективные и радиационные потери.

Из-за низких параметров пара (250 °С и 4МПа) термический КПД СЭС-5 составлял всего 0,32.

Через 10 лет эксплуатации в 1995 году СЭС-5 в Крыму закрыли, а в 2005-м башню сдали на металолом.

Макет СЭС-5 в Политехническом музее

В солнечных электростанциях башенного типа, которые сейчас находятся в эксплуатации, используются новые конструкции и системы, использующие расплавленные соли (40% нитрата калия, 60% нитрата натрия) в качестве рабочих жидкостей. Эти рабочие жидкости обладают более высокой теплоемкостью, чем морская вода, которую использовали в первых эскпериментальных установках.

Технологическая схема современной солнечной тепловой электростанции

Современная башенная СЭС

Конечно, солнечные электростанции — дело новое и сложное, и, естественно, что у них достаточно противников. Многие сомнения, высказываемые ими, имеют довольно веские основания, с другими же вряд ли можно согласиться.

Например, часто говорится о том, что для сооружения башенных СЭС необходимы большие земельные площади. Однако нельзя сбрасывать со счетов площади, где добывается топливо, для работы традиционных электростанций.

Можно привести и другой более убедительный пример в пользу башенных СЭС. Удельная площадь земель, затопленных искусственными водохранилищами ГЭС, равна 169 га/МВт, что во много раз больше показателей таких СЭС. Причем, при сооружении ГЭС нередко затапливаются весьма ценные плодородные угодья, а башенные СЭС предполагается строить в пустынных районах — на землях, не пригодных ни для земледелия, ни для сооружения промышленных объектов.

Еще один повод для критики башенных СЭС — их высокая материалоемкость. Высказывается даже сомнение, сможет ли СЭС возвратить за расчетный срок эксплуатации ту энергию, которая была затрачена на изготовление оборудования и получение материалов, израсходованных на ее строительство.

Действительно, такие установки материалоемки, но, существенно то, что практически все материалы, из которых строятся современные башенные солнечные электростанции, не являются дефицитными. Экономические же расчеты, проведенные после запуска в работу первых современных башенных СЭС показали их высокую эффективность и достаточно выгодные сроки окупаемости (смотрите ниже примеры экономически успешных проектов).

Еще один резерв повышения эффективности башенных СЭС — создание гибридных станций, в которых солнечные установки будет работать совместно с обычными тепловыми на традиционном топливе. На комбинированной станции в часы интенсивного солнечного излучения топливная установка снижает свою мощность, а «разгоняется» в пасмурную погоду и в период пиковых нагрузок.

Примеры современных башенных солнечных электростанций

В июне 2008 г. компания Bright Source Energy открыла центр развития солнечной энергии в израильской пустыне Негев.

На площадке, расположенной в промышленном парке Ротема, установлено более 1600 гелиостатов, которые следуют за солнцем и отражают свет на солнечной башне высотой 60 метров. Затем сконцентрированная энергия используется для нагрева котла наверху башни до 550 °C, генерируя пар, который направляется в турбину, где вырабатывается электричество. Мощность электростанции 5 МВт.

В 2019-м году та же компания в пустыне Негев построила новую электростанцию — Ashalim. Он а состоит из трех участков с тремя различными технологиями, станция объединяет три вида энергии: солнечную тепловую энергию, фотоэлектрическую энергию и природный газ (гибридная электростанция). Установленная мощность энергетической солнечной башни — 121 МВт.

В состав станции входят 50600 гелиостатов с компьютерным управлением, которых достаточно для питания 120000 домов. Высота башни 260 метров. Она была самой высокой в мире, но недавно ее превзошла солнечная энергетическая башня высотой 262,44 метра в солнечном парке Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума.

Электростанция в пустыне Негев в Израиле

Летом 2009 года американская компания eSolar построила солнечную башню Sierra Sun Tower для электростанции мощностью 5 МВт, расположенной в Ланкастере, штат Калифорния, около 80 км к северу от Лос-Анджелеса. Площадь электростанции — около 8 гектаров в засушливой долине к западу от пустыни Мохаве на 35° северной широты.

Sierra Sun Tower

По состоянию на 9 сентября 2009 года на примере действующих электростанций было посчитано, что стоимость строительства башенной СЭС (CSP) составляла от 2,5 до 4 долларов США за ватт, в то время как топливо (солнечное излучение) было бесплатным. Таким образом, строительство такой электростанции мощностью 250 МВт стоит от 600 до 1000 миллионов долларов США. Это означает от 0,12 до 0,18 доллара США/кВт•ч.

Было также определено, что новые установки CSP могут быть экономически конкурентоспособными по сравнению с ископаемым топливом.

Натаниэль Буллард, аналитик Bloomberg New Energy Finance, подсчитал, что стоимость электроэнергии, производимой солнечной электростанцией Иванпа, запущенная в работу в 2014-м году, меньше, чем электроэнергия, получаемая от фотоэлектрической электростанции, и примерно такая же, как электроэнергия, получаемая от электростанции, работающей на природном газе.

Самая известная на данный момент из башенных СЭС — электростанция Gemasolar мощностью 19,9 МВт, расположенная к западу от города Эсиха в Андалусии (Испания). Электростанция была открыта королем Испании Хуаном Карлосом 4 октября 2011 года.

Этот проект проект, получивший от Европейской комиссии грант в размере 5 миллионов евро, использует технологию, протестированную компанией американской компанией Solar Two:

• 2493 гелиостата общей площадью 298000 м 2 используют стекло с лучшей отражательной способностью, упрощенная конструкция которого позволила снизить производственные затраты на 45%.
• Более крупная система хранения тепловой энергии вместимостью 8500 тонн расплавленных солей (нитратов), обеспечивающая автономность 15 часов (примерно 250 МВт•ч) при отсутствии солнечного света.
• Улучшенная конструкция насоса, которая позволяет перекачивать соли непосредственно из резервуаров для хранения без необходимости в отстойнике.
• Система генерации пара, включающая контур принудительной рециркуляции пара.
• Паровая турбина с более высоким давлением и более высокой эффективностью.
• Упрощенный контур циркуляции расплавленной соли, уменьшающий вдвое необходимое количество клапанов.

Электростанция (башня и гелиостаты) занимает общую площадь 190 га.

Солнечная башня СЭС Gemasolar

Компания Abengoa построила Khi Solar One в Южной Африке — башенную электростанцию высотой 205 метров и мощностью 50 МВт. Торжественная церемония открытия прошла 27 августа 2013 года.

Ivanpah Solar Electric Generating System — солнечная электростанция в пустыне Мохаве в Калифорнии, в 64 километров к юго-западу от Лас-Вегаса, мощностью 392 мегаватт (МВт). Электростанция была запущена в работу 13 февраля 2014 года.

Ivanpah Solar Electric Generating System

Годовое производство этой СЭС покрывает потребление 140000 домашних хозяйств. Установлено 173500 зеркал гелиостатов, фокусирующих солнечную энергию на парогенераторах, расположенных на трех центральных солнечных башнях.

В Марте 2013 года, было подписано соглашение с компанией Bright Source Energy о строительстве электростанции Palen в Калифорнии, состоящей из двух башен по 230 м (250 МВт каждая), ввод в эксплуатацию намечен на 2021 год.

Другие действующие солнечные электростанции башенного типа: Солнечный парк (Дубаи, 2013), Нур III (Марокко, 2014 г.), Crescent Dunes (Невада, США, 2016 г.), SUPCON Delingha и Shouhang Dunhuang (Катай, обе — 2018 г.), Gonghe, Luneng Haixi и Hami (Китай, все — 2019 г.), Cerro Dominador (Чили, апрель 2021 г.).

Иновационное решение для солнечной энергетики

Поскольку эта технология лучше всего работает в районах с высокой инсоляцией (солнечной радиацией), эксперты прогнозируют, что наибольший рост количества башенных СЭС будет в таких местах, как Африка, Мексика и юго-запад США.

Также ситается, что у концентрированной солнечной энергии есть серьезные перспективы, и что она может обеспечить до 25% мировых потребностей в энергии к 2050 году. В настоящее время в мире в разработке находится более 50 новых проектов электростанций такого типа.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: