Солнечные тепловые электростанции Интересная на мой взгляд статья о солнечных тепловых электростанциях, опубликованная на одном из блогов в ЖЖ. С разрешения автора привожу полный текст этой статьи.

ЧАСТЬ I

Как сожжем всю нефть и весь газ, где электричество-то брать будем? Правда, из-за парникового эффекта от их сжигания мы можем вымереть, и электричество тогда нам и не понадобится. Ну, а если все-таки выживем?

Первый вопрос, разумеется, сколько же нужно человечеству энергии. По данным экспертной организации по энергетике при правительстве США (EIA), в 2005 г. в мире было произведено 57 ЭДж электроэнергии (1 ЭДж, экзоджоуль — миллиард миллиардов джоулей; один киловатт-час равен 3,6 миллиона джоулей, а 1 ЭДж примерно равен 278 миллиардам кВт-ч.). Общее потребление всех видов энергии рукотворной техникой составило около 490 ЭДж. Эта цифра, конечно, гигантская, но еще не астрономическая: ведь за тот же самый 2005 год общая энергия, поглощенная поверхностью Земли, имея в виду и сушу, и океаны, составила 3850000 ЭДж. Это почти в 10000 раз больше, чем энергия, потребленная человеческой техникой! Биомасса земли перерабатывает 3000 ЭДж в год — эта энергия сначала идет на рост растений, потом продвигается по всем пищевым цепочкам. В эту цифру входят и те калории, что мы съедаем.

Солнце — единственный значительный источник нашей энергии (нефть, газ, уголь — все это запасенная древняя энергия, тоже пришедшая на Землю от Солнца), и этот источник энергии неисчерпаем. Может быть, в будущем люди научатся получать электроэнергию из солнечного тепла и света в промышленных масштабах?

Солнечные тепловые электростанции

Это будущее уже началось, и довольно давно — в 1984 г. Именно тогда вступила в строй первая солнечная тепловая электростанция около калифорнийского городка Крамер Джанкшен, что находится в пустыне Мохабе. Станция получила невыразительное название Solar Energy Generating System, или сокращенно SEGS, что переводится просто как «солнечная электростанция».

Для работы паровой турбины необходимо нагреть воду до 3000C или выше. Просто выставить радиатор под солнце не получится: предметы не нагреваются под солнцем до такой высокой температуры, тепло рассеивается в воздухе. Солнечный свет нужно сфокусировать на рабочем теле. Если на участок поверхности предмета светит солнце, она нагревается. Если мы теперь возьмем зеркало и направим на эту же поверхность зайчик от зеркала, мы тем самым «соберем» на ней больше солнечного света: ведь, не будь на пути света зеркала, эти лучи прошли бы мимо, не попали на тело, что мы нагреваем. Чем больше зеркал мы используем, и чем больше зайчиков мы направим на нагреваемое тело, тем большую мощность излучения мы на нем соберем. По легенде, Архимед именно так поджег римские корабли при осаде Сиракуз в 212—214 гг. до н. э.: греческие воины якобы направили солнечные зайчики от своих щитов на корабль, и корабль тут же вспыхнул! Студенты из массачусетского Технологического института дважды проверяли эту легенду, и сделали вывод, что это все-таки миф: макет корабля задымился через 10 минут нагрева при идеальных погодных условиях, и не загорелся вовсе. Не исключено, правда, что идея Архимеда все-таки помогла грекам — или помогла бы, поскольку неизвестно, пытались ли они применить ее на самом деле, — даже если корабль и не загорелся, то моряки были наверняка ослеплены и получали ожоги.

Но вернемся к нашим зайчикам. Зеркало специальной параболической формы собирает лучи солнца в одну точку, называемую фокусом. Кривизна зеркала рассчитана так, как будто каждая точка на поверхности зеркала — это отдельное маленькое зеркальце, направляющее свой маленький зайчик точно в точку фокуса. Латинское слово focus означает «очаг» — догадываетесь, почему фокус зеркала называется именно так? А вот мощность оптической части электростанции измеряют в… солнцах! Во сколько раз ярче светит система зеркал на рабочий элемент, чем светило бы на него Солнце без этих зеркал, — столько солнц эта система и собирает.

Солнечные тепловые электростанции

На станции SEGS зеркала имеют форму продолговатых «корыт» параболического сечения. Корыта — это официальное название этих зеркал! — ориентированы строго с севера на юг. Фокус у такого зеркала не точка, а линия, проходящая вдоль корыта. Поворачивая зеркало относительно этой линии вслед за суточным ходом Солнца, можно держать зайчик в фокусе корыта с утра и до вечера. Оптическая мощность зеркал станции SEGS составляет от 70 до 90 солнц. В фокусе каждого зеркала проходит труба, а по трубе течет жидкость, специальное синтетическое масло. Течет — и нагревается в каждом из них все больше и больше. Так, пройдя десятки зеркал-корыт, масло нагревается до 370—4000C, a затем поступает в радиатор-теплообменник, где превращает воду в горячий пар, который затем подается под давлением в 20 атмосфер на турбину, раскручивающую генератор, чтобы вырабатывать электричество.

Солнечные тепловые электростанции

Первая очередь станции заработала в 1984 г., а в 1986 г. началась ее промышленная эксплуатация. Сейчас в Крамер Джанкшен стоят 5 энергоблоков мощностью по 35 мегаватт каждый. Еще два энергоблока по 90 мегаватт находятся в нескольких километрах северо-восточнее, на высохшем озере Айвенпа.

Солнечные тепловые электростанции

Всего на станции более 12000 зеркальных корыт и более 900 тысяч индивидуальных заменяемых зеркальных панелей. В пустыне часто бывает сильный ветер, и зеркала загрязняются и портятся, так что 3000 панелей приходится заменять ежегодно — в среднем 8 в день.

Солнечные тепловые электростанции

А вот для мойки зеркал построена специальная моечная машина. Общая площадь «солнечных полей» станции составляет 6,4 км2, а общая длина зеркальных «рядов» более 350 км. В пустыне Мохабе в среднем только 25 пасмурных дней в году, и в пасмурную погоду станция переключается на природный газ.

Солнечные тепловые электростанции

Недавно вошедшая в строй станция такого же типа находится в Неваде, неподалеку от г. Боулдер. Станция генерирует до 75 МВт электрoэнергии. Персонал станции — 28 человек.

Тепловые и гидроэлектростанции работают круглосуточно. А можно ли усовершенствовать солнечную электростанцию так, чтобы она и ночью работала? Казалось бы, глупый вопрос, ведь солнце ночью не светит, сколько ни совершенствуй конструкцию, нагреваться ведь она без Солнца не будет! А оказывается, вопрос вовсе и не глупый, да и ответ на него утвердительный, как ни странно: получать энергию от солнечной электростанции можно круглыми сутками.А оказывается, вопрос вовсе и не глупый, да и ответ на него утвердительный, как ни странно: получать энергию от солнечной электростанции можно круглыми сутками. А вот как именно — об этом я расскажу в продолжении этого очерка.

ЧАСТЬ II

Хорошо заметно, в чем состоит неэффективность тепловой станции с зеркальными «корытами». Чтобы нагреть носитель до нужной температуры, требуются десятки и даже сотни километров трубы, а ведь эта труба не только нагревается солнцем: на всем своем протяжении она отдает тепло воздуху! Как же с этим бороться? Ответ совершенно очевиден: надо уменьшить размер нагреваемого солнцем теплообменника. А чтобы он все равно успел нагреться, нужно сделать так, чтобы все зеркала фокусировали свои солнечные зайчики на этом небольшом элементе.

Солнечные тепловые электростанции

Проще сказать, чем сделать: для управления зеркалами уже требуется компьютер.Поэтому солнечные «башни», как их называют, появились позже «корытных» электростанций. На фотографиях — экспериментальная электростанция «Солнечный-2» (вид со спутника), построенная американским департаментом энергетики и национальной Ливерморской лабораторией в той же самой солнечной пустыне Мохабе. Проект продолжался с 1981 по 1999 год (он начинался как «Солнечный-1»).

Солнечные тепловые электростанции

Целью проекта было исследование технологии управления зеркалами — они называются гелиостатами — в условиях любой погоды, механических технологий для ветроустойчивых гелиостатов, испытания различных теплоносителей и многое другое, что требуется, чтобы довести технологию для уровня, достаточного для полноценного ее промышленного применения.

Электростанция вырабатывала 10 МВт электроэнергии, а оптическая мощность зеркальной системы ее составляла 600 солнц. Всего на станции было 1818 малых гелиостатов по 40 м2 каждый, и 108 больших, по 95 м2. Зеркала индивидуально наводились компьютером на центральную башню. Система эта очень гибкая: можно менять интенсивность нагрева ежеминутно, просто сдвигая «зайчик» в сторону от теплообменника. Когда станция работала, то часть зеркал находилась в режиме полной готовности, чтобы небольшим сдвигом зеркала навести зайчик на башню теплообменника. Лучи от этих зеркал «на подхвате» проходили через одну точку пространства, так что в ней светился яркий «НЛО», похожий на соединившихся макушками двух огромных медуз, хорошо видимый с шоссе, проходящего неподалеку. Вернее даже два, потому что этих фокальных точек было две, симметрично с двух сторон башни.

Сейчас проект уже завершен, и башней пользуется университет г. Дэвиса для наблюдения за излучением Черенкова, происходящим от каскадов элементарных частиц в верхних слоях атмосферы, вызванных, в свою очередь, гамма-излучением Солнца.

Солнечные тепловые электростанции

Когда наступает вечер, зеркала разворачиваются зеркальной поверхностью вниз, параллельно земле. В таком положении они меньше подвержены повреждениям от ветра, что несет абразивную, губительную для зеркал песчаную пыль, и которого в пустыне не сдерживают ни леса, ни горы. А электростанция… продолжает вырабатывать электричество, как ни в чем ни бывало! Как это возможно?

Солнечные тепловые электростанции

Теплоносителем «Солнечного-2» является смесь из расплава неорганических солей. При нормальной температуре эти соли твердые, но плавятся уже при 2500C. За счет высокой теплоты фазового перехода, соль остается жидкой и теплой несколько суток, даже если ее не подогревать.

Как известно, теплота фазового перехода у многих веществ велика. Например, испарение воды из кипящего чайника — тоже фазовый переход. Когда вы включаете чайник, вода нагревается. Один литр (точнее, 1 кг) воды требует 4,2 кДж энергии, чтобы нагреться на 10C. Таким образом, чтобы нагреть чайник от 200C до 1000C, требуется 80?4,2=336 кДж. Но как только чайник закипает, температура больше не растет: все тепло уходит на испарение воды. Чтобы превратить в пар то же самое количество воды, потребно уже 2270 кДж — почти в 7 раз больше. Если испарить всю воду, то эта энергия будет запасена в паре. Точно так же и в расплаве соли запасена очень большая энергия. Небольшое количество соли конденсируется, и отдает при этом тепло, поддерживая остальную часть соли расплавленной. «Солнечный-2» мог работать на полной мощности двое суток вообще без солнца — на запасенной в расплавленной соли теплоте. Нагретая соль превращала воду в пар для турбины в особом теплообменнике, и, когда светило солнце, паровые турбины работали на высокотемпературном цикле, а без солнца переключались на менее эффективный низкотемпературный, расходуя тепло, запасенное в подземном баке расплавленной соли. На утро солнечный теплообменник опять разогревал соль, а жидкая горячая соль несла тепло в бак и расплавляла сконденсировавшийся за ночь осадок твердой соли.

Сегодня проект завершен. Американские производители электричества не заинтересовались тогда коммерческими результатами проекта — дешевле было жечь уголь, чем строить солнечные станции.

Солнечные тепловые электростанции

Однако, ими заинтересовалась Испания, и знаменитый Королевский Указ №436 выделил огромные денежные суммы на освоение солнечной электроэнергии. Сейчас Испания — один из крупнейших мировых производителей и экспортеров солнечной электроэнергии. Знания, полученные в проекте «Солнечного-2», легли в основу конструкции первой в мире промышленной солнечной «башни». Эту станцию разрабатывала команда инженеров и ученых проекта «Солнечный-2», и она даже получила рабочее название Solar Tres, «Солнечный-3» по-испански.

Станция, построенная в солнечной южной Андалузии, в 15 км от Севильи, вошла в промышленную эксплуатацию в мае 2007 г. под названием PS10. Станция состоит из 115-метровой башни, окруженной 624 гелиостатами, каждый площадью 120 м2, и генерирует 11 МВт электроэнергии. Это малая цифра, но в планах сейчас строительство новых башен, и Андалузский комплекс солнечных башен будет выдавать 300 МВт к 2013 г.

Башня построена архитектурной компанией ALTAC таким образом, чтобы не создавать ощущения гигантской конструкции, несмотря на свою огромную высоту. На высоте 30 м находится смотровая площадка для посетителей. Форма башни с окном посередине вызывает чудесной красоты иллюзию, как будто бы все поле электростанции подвешено к башне, словно вантовый мост, на канатах из солнечного света.

12

По мере того, как дорожают традиционные энергоносители, все больше и больше крупных энергопроизводителей обращают внимание на солнечную энергетику. В калифорнийской комиссии по землепользованию уже находится заявка, поданная в конце 2007 года, на разрешение строительства в пустыне Мохабе комплекса солнечных башен суммарной мощностью в 400 МВт. Это огромная мощность, примерно равная мощности крупной угольной станции. В комплекс войдут 6 башен по 33 МВт каждая, и 4 башни по 50 МВт. На рисунке, приложенном к заявке, нарисован вид будущей электростанции с воздуха.

Солнечные тепловые электростанции
Речь шла только о больших промышленных станциях, хотя выпускаются серийно и станции маленькие, например, компанией «Стирлинг». Интересны они тем, что в них используется генератор, приводимый в движение тепловой машиной Стирлинга. Такие автономные станции оборудуются дополнительной газовой горелкой, которая позволяет вырабатывать электричество ночью или в пасмурную погоду.

Солнечные тепловые электростанции

В штате Джорджия работает промышленная электростанция из 300 таких «Санкетчеров».

Если у человеческой цивилизации есть будущее, то энергетика этого будущего несомненно связана с Солнцем, как связана с ним вся жизнь на Земле. Это, пожалуй, самая чистая для земной экологии энергия, какую только можно получить.

Источник: A FREGIMO AMISSA

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

2006-2016 Дорош Игорь
admin@renewable.com.ua
Использование любых материалов, 
размещенных на сайте, разрешается
при указании прямой ссылки.