Оборудование солнечных электростанций

Министерство образования  и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. Д. СЕРИКБАЕВА

Кафедра «Промышленная энергетика»

РЕФЕРАТ

Тема: Оборудование солнечных электростанций

Усть-Каменогорск,2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Фотоэлектрические элементы

Солнечная электросанция башенного типа

Солнечная электростанция параболического  типа

Солнечная электростанция спутникового типа

Мобильная солнечная система

Заключение

Список литературы

Введение

    Для обеспечения человечества энергией на несколько столетий хватит и сотой доли той энергии, которая доходит от Солнца до Земли за один год. Солнечная энергия - это экологически чистый возобновляемый источник энергии. Человечество начинает сознавать, что энергетические ресурсы ограничены и в ближайшие сто лет люди должны в глобальном смысле решить проблему обеспечения энергией, то есть разработать и реализовать новую концепцию глобальной энергетики. Развитие энергетики имеет определенную логику, по этому пути движется весь мир. От газа в свое время придется отказаться — он слишком дорог и ценен. Использование угля должно стать более экологичным. Урана для ядерного топлива существующих реакторов хватит всего лет на сто . Необходимо искать новые, во всех отношениях безопасные и эффективные источники энергии.

Исследования показали , что для решения возникших проблем перспективно использование возобновляемых источников энергии. Основное преимущество возобновляемых источников - их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в настоящее время оценивается в 20 млрд. тонн условного топлива в год, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива

В основе практически всех видов возобновляемых источников энергии  лежит энергия излучения Солнца. Вклад Солнца в энергетический баланс Земли значительно превышает  вклад всех других источников. Человечество только начинает выявлять и использовать потенциал солнечной энергии. Та страна, которая перейдет на солнечную  энергию первой, будет иметь прекрасные перспективы в будущем.

Развитие цивилизации  достигло такого уровня, когда для  решения глобальных задач необходимо объединение усилий всех стран мира. И в первую очередь это относится  к обеспечению прогресса в  сфере производства и использования  энергии. Одной из приоритетных задач  мирового сообщества является создание системы глобальной энергетики, которая  позволила бы осуществлять бесперебойное  снабжение широких слоев населения  во всем мире энергетическими ресурсами  по экономически обоснованным ценам, поддерживать долгосрочную стабильность на мировом  и региональных энергетических рынках и обеспечивать экологическую безопасность.

Производство электроэнергии из солнечной энергии — тема очень  актуальная и интересная для многих государств в сегодняшнее время. Малые солнечные электростанции могут обеспечить электроэнергией дома, предприятия, общественные здания и сохранят богатство глубинных недр земли. Большие солнечные энергетические системы способны вырабатывать неограниченное число электроэнергии и способствовать развитию электроэнергетической отрасли в мировом масштабе.

Солнечные электростанции так  же называют Гелио электростанции в переводе с древнегреческого Gelios — солнце.

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую  энергию. Способы преобразования солнечной  радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Получение электроэнергии от солнца давно применяется во всем мире. Главной задачей ученых на данный момент является необходимость  так усовершенствовать имеющиеся  технологии, чтобы как можно больше увеличить их КПД.

Солнечные электростанции преобразуют  энергию солнечной радиации в  электроэнергию. Они бывают двух видов:

1. фотоэлектрические - непосредственно  преобразуют солнечную энергию  в электроэнергию при помощи фотоэлектрического генератора.

2. термодинамические - преобразуют солнечную энергию в тепловую, а потом в электрическую; мощность термодинамических солнечных электростанций выше, чем мощность фотоэлектрических станций.

Фотоэлектрические солнечные электростанции

Главным элементом фотоэлектрических  станций являются солнечные батареи. Они состоят из тонких пленок кремния  или других полупроводниковых материалов и могут преобразовывать солнечную  энергию в постоянный электрический ток.

Фотоэлектрические преобразователи  отличаются надежностью, стабильностью, а срок их службы практически не ограничен. Они могут преобразовывать  как прямой, так и рассеянный солнечный  свет. Небольшая масса, простота обслуживания, модульный тип конструкции позволяет  создавать установки любой мощности. К недостаткам солнечных батарей можно отнести высокую стоимость и низкий КПД.

Солнечные батареи используют для энергоснабжения автономных потребителей малой мощности, питания  радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных  электромобилей и самолётов. Есть надежда, что в будущем им найдут применение в отоплении и электроснабжении жилых домов.

Фотоэлектрические элементы, названные в ученой среде как  солнечные элементы, являются устройствами из полупроводниковых материалов и  служат для выработки электричества. Фотоэлектрические элементы бывают разных размеров, объемов и форм. Их чаще всего объединяют между собой  в фотоэлектрические модули, а  модули — соединяют в фотоэлектрические батареи.Фотоэлектрические (PV) элементы, фотомодули и устройства преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Понятие фотогальваники или выработки тока из солнечной энергии, можно в буквальном смысле охарактеризовать, как свет и электричество.

Фотоэлектрические элементы

Погрузка фотоэлектрических  элементов на складе Solarworld

Впервые это понятие упоминалось  примерно в 1890 году, как «photovoltaic» — фотоэлектрический (фотогальванический) и имело две составляющие: фото, происходит от греческого слова свет и напряжения, связанного с именем пионера Алессандро Вольта в области электричества. Фотоэлектрические материалы и устройства преобразующие энергию света в электрическую энергию, были открыты известным французским физиком Эдмоном Беккерелем еще в 1839 году.

Беккерель смог открыть процесс  использования солнечного света  для получения электрического тока при помощи твердого материала. Но потребовалось, чтобы прошло больше полувека, чтобы  ученые по-настоящему смогли понять этот процесс и узнать, что фотоэлектрический  или фотогальванический эффект вызывают только определенные материалы способные  преобразовывать энергию света  в электрическую энергию на атомном  уровне.

Сегодня фотоэлектрические  системы стали важной частью нашей  повседневной жизни. Мини солнечные  электростанции применяются для  обеспечения питания у мелких приборов и приспособлений используемых в быту, таких как, калькуляторы, наручные часы или зарядное устройство для сотового телефона. Более сложные — применяются для спутников связи, водяных насосов, уличного освещения, работы бытовых приборов и машин в некоторых домах и на рабочих местах. Многие дороги и дорожные знаки, также теперь работает с помощью фотоэлектрических элементов или модулей.

Принцип работы современных  солнечных электростанций (СЭС) основан  на сборе сконцентрированной солнечной  энергии (CSP) при помощи зеркал и отражении  солнечных лучей на приемники, которые  собирают солнечную энергию и  преобразуют его в тепло. Эта  тепловая энергия может быть использована для производства электроэнергии с  помощью паровой турбины или  теплового двигателя, который приводит в действие генератор.

В зависимости от расположения зеркал, приемников и способов преобразования энергии в мире известно 7 разновидностей СЭС: башенного, тарельчатого, параболического типа, с использованием фотоэлектрических батарей, комбинированные, аэростатные и мобильные.

Солнечная электросанция башенного типа

Схема солнечной электростанции башенного типа

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой  тарелкой), которые фокусируют солнечную  энергию на приемники, расположенные  в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается  до 1000 градусов и непосредственно  применяется для производства электричества  в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в  разработке находятся двигатели  Стирлинга и Брайтона. Несколько  опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных  Штатах. Высокая оптическая эффективность  и малые начальные затраты  делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря  модульному проектированию, такие системы  представляют собой оптимальный  вариант для удовлетворения потребности  в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Эта технология успешно реализована  в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике..

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный  на верху башни, который поглощает  тепловую энергию и приводит в  действие турбогенератор. Управляемая  компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы  отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая  в приемнике жидкость переносит  тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину  для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в  промышленных процессах. Температуры  на приемнике достигают от 538 до 1482 C.

Первая башенная электростанция под названием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать “Solar One” для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из “холодного” бака при температуре 288 C и проходит через приемник, где нагревается до 565 C, а затем возвращается в “горячий” бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

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 электростанции солнечные могут получить гораздо большее распространение в индивидуальной электрификации частных домов и небольших общественных зданий из-за своей мобильности и небольших размеров.

Solar Two” - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта “Solar Two” должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных, соединенных  с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа состоят из модулей и могут  использоваться как в автономных установках, так и группами общей  мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая из солнечных  энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей  эффективной теплоаккумулирующей  способности, также могут стать  солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный характер “тарелок”  позволяет использовать их в небольших  установках. Башни и “тарелки”  позволяют достичь более высоких  значений КПД превращения солнечной  энергии в электрическую при меньшей стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.

Солнечная электростанция параболического типа

Схема солнечной электростанции параболического типа

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.

СЭС с использованием модулей  состоящих из фотоэлектрических  батарей в настоящее время  очень распространены. Они применяются для энергообеспечения различных объектов, как жилого, общественного, так и промышленного предназначения. Главным преимуществом этого вида электростанций является их простота монтажа, их легко можно установить повсюду, где есть свободное пространство: на крышах, фасадах домов, на стойках, площадках, на воде и прочих сооружениях.

Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и другие компании. Так, фирмы “Stirling Technology”, “Stirling Thermal Motors” и “Detroit Diesel” совместно с корпорацией “Science Applications International Corporation” создали совместное предприятие с капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга.

Ещё одну идею предложили американские учёные компании Stirling Energy. В большинстве солнечных электростанций огромные конструкции из зеркал концентрируют солнечную энергию, отдают ее теплоносителю, а тот приводит в действие большую центральную турбину. В установках компании Stirling Energy, под названием SunCatcher, каждая 13-метровая тарелка питает энергией свою машину Стирлинга, расположенную прямо в фокусе зеркала. Такая машина сама по себе выдает свои 25 кВт электричества. Таким образом, подобная установка может работать как автономно, так и в составе ансамбля из 30 000 себе подобных.

Машина Стирлинга, показанная на рисунке 1, это система замкнутого цикла. В этой машине механическую энергию  получают за счет внешнего источника  тепла, что принципиально отличается от действия двигателей внутреннего  сгорания, работающих под капотами большинства автомобилей. Внутри четырех  цилиндров объемом по 95 см3 содержится газообразный водород - при нагревании и охлаждении он расширяется и  сжимается, поршни в цилиндрах движутся туда-сюда, а от них вращается  небольшой электрогенератор. И параболическая тарелка, и данный двигатель - плоды  целого десятилетия упорной работы, которая проводилась в сотрудничестве с компанией Stirling Energy Systems.

Рисунок 1 - машина Стирлинга

Испытание электроустановки происходили в пустыне. Температура  была около нуля, а небо было на 8% прозрачнее, чем обычно. Чем больше разница между холодным воздухом и жарким солнцем, тем эффективнее  работает эта машина. И вот 25-киловаттная  система начала выдавать электроэнергию. Коэффициент преобразования оказался самым высоким из всех, когда-либо достигнутых в коммерческих солнечных  установках: 31,25% солнечной энергии, падающей на зеркальную тарелку, отдавалось в виде тока в электросеть.

Солнечная электростанция спутникового типа

Схема солнечной электростанции спутникового типа

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.

Комбинированные электростанции могут совмещать в себе несколько  типов солнечных электростанция. 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.

Мобильная солнечная система

На фотографии мобильная  солнечная система

    Мобильные солнечные  электростанции — это полностью  укомплектованное и готовое к  эксплуатации оборудование. Оно  бывает различной мощности, размера  и объема. Оно легко и быстро  монтируется там где необходимо. Все компоненты у этих устройств находятся в собранном виде и готовы к работе. Они легко транспортируются и применяются как временное энергообеспечение в походных, дачных, временных условиях. Может быть установлено на крыши строений или хорошо освещенных солнечных местах. Миниатюрная электростанция размещена в дачных уличных светильниках.

В конструкции данной электростанции, солнечная электроэнергия вырабатывается и направляется сразу же напрямую к потребителю (агрокомплексу), она  не запасается в аккумуляторах, так  как это признано самым эффективным  способом для потребностей технологических  процессов. Все оборудование привезено  было из-за рубежа. К сожалению, российские предприятия пока не производят современных  солнечных модулей, комплектующих и электроники способной конкурировать по цене и качеству с западными аналогами.

Если говорить в целом, в масштабах мирового сообщества, то солнечные электростанции в мире появились гораздо раньше и получили гораздо большее развитие на рубежом. Большое их скопление находится в Германии, Португалии, США, Италии, Украине, Канаде. Солнечные электростанции в Украине и Европе на фоне нехватки основных теплоносителей — нефти и газа, стали в последнее время наиболее востребованы

К сожалению, на сегодняшний  день, в Республике Казахстан солнечных  электростанций нет. Так как нет  возможностей для их создания, в  связи с отсутствием заводов-изготовителей, электрооборудования для таких  электростанций.

На сегодняшний день, электроэнергия, вырабатываемая солнечными электростанциями, составляет всего лишь 0,04% от всей энергии  и является сравнительно дорогой. Возможно использование солнечной радиации и не решает всех проблем в энергосистеме, но её развитие продолжается, ведь солнце - это возобновляемый источник энергии и тепла, что так необходимо человечеству, хотя такие электростанции не могут конкурировать с более мощными - ТЭС, ГЭС, АЭС, потому что самая высокая мощность СЭС составляет 60 МВт, а КПД достигает максимум 31,2%. Эти цифры значительно меньше, чем у вышеперечисленных электростанций.

Существуют и другие способы  получения энергии от солнца, и  если удастся решить все проблемы, то спрос на такую продукцию может  быть практически неограничен. С  помощью новых разработок можно  будет решить проблемы энергоснабжения  отсталых труднодоступных районов, сократить потребление топливных  ресурсов в больших мегаполисах, защитить окружающую среду от излишнего  загрязнения выбросами вредных веществ.

Заключение

Достоинства солнечной энергетики.

" Общедоступность и неисчерпаемость источника.

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

Способы получения электричества  и тепла из солнечного излучения.

" Получение электроэнергии  с помощью фотоэлементов.

" Преобразование солнечной  энергии в электричество с помощью тепловых машин:

" паровые машины (поршневые  или турбинные), использующие водяной  пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

" двигатель Стирлинга  и т.д.

" гелиотермальная энергетика - Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

" Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

" Солнечные аэростатные  электростанции (генерация водяного  пара внутри баллона аэростата  за счет нагрева солнечным  излучением поверхности аэростата,  покрытой селективно-поглощающим  покрытием). Преимущество - запаса пара  в баллоне достаточно для работы  электростанции в темное время  суток и в ненастную погоду.

Список литературы

1. Новые технологии в мире: www.eren.doe.gov.

2. Википедия: www.vicipedia.ru.

3. Грабмайер И.Г. Сименс - Франкфурт: 1990.

4. Андреев С.В. Солнечные электростанции - М.:Наука 2002.

5.Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat

http://www.dissercat.com