Особенности устройства и эксплуатации солнечных электростанций

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………..………………………..……………………….…..…...… 3
Глава I. Особенности устройства солнечных электростанций.………….… 5
1.1 Принцип работы современных солнечных электростанций…...…. 5
1.2 Башенные и модульные электростанции…………….…………….. 8
1.3 Термодинамические солнечные электростанции…………………. 9
Глава II. Эксплуатация солнечных электростанций………………………. 11
2.1 Срок службы солнечных батарей…………………………………. 11
2.2 Обслуживание солнечных батарей……………………….……….. 12
2.3 Правила эксплуатации солнечных батарей…………...………….. 14
Заключение………………………………….………………………........…... 18
Список литературы…………………………….………………………....….. 20

Введение
Солнце – является неисчерпаемым, дешёвым и экологически безопасным источником энергии. Как заявляют эксперты, количество солнечной энергии, которая поступает на поверхность Земли в течение недели, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.
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.
Немаловажным моментом является тот факт, что сырьем для изготовления солнечных батарей является один из самых часто встречающихся элементов – кремний. В земной коре кремний - второй элемент после кислорода (29,5% по массе). По мнению многих ученых, кремний - это «нефть двадцать первого века».
Однако некоторые эксперты полагают, что солнечную энергетику нельзя назвать экологически безопасной ввиду того, что производство чистого кремния для фотобатарей является весьма «грязным» и очень энергозатратным производством. Наряду с этим, строительство солнечных электростанций требует отведения обширных земель, сравнимых по площади с водохранилищами ГЭС. Еще одним недостатком солнечной энергетики, по мнению специалистов, является высокая волатильность. Обеспечение эффективной работы энергосистемы, элементами которых являются солнечные электростанции, возможно при условии:
- наличия значительных резервных мощностей, использующих традиционные энергоносители, которые можно подключить ночью или в пасмурные дни;
- проведения масштабной и дорогостоящей модернизации электросетей.
Несмотря на указанный недостаток, солнечная энергетика продолжает свое развитие в мире. Прежде всего, ввиду того, что лучистая энергия будет дешеветь и уже через несколько лет составит весомую конкуренцию нефти и газу.
В настоящий момент в мире существуют фотоэлектрические установки, преобразующие солнечную энергию в электрическую на основе метода прямого преобразования, и термодинамические установки, в которых солнечная энергия сначала преобразуется в тепло, затем в термодинамическом цикле тепловой машины преобразуется в механическую энергию, а в генераторе преобразуется в электрическую.В последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны. По мере того как поставки топлива становятся менее надежными и более дорогостоящими, эти источники становятся все более привлекательными и более экономичными. Повышение цен на нефть и газ послужило главной причиной того, что человек вновь обратил свое внимание на воду, ветер и Солнце.
В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник так же относится к возобновляемым, внимание, удивляемое ему во всем мире, заставляет рассмотреть его возможности отдельно. Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.
Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.
Глава I. Особенности устройства солнечных электростанций
1.1 Принцип работы современных солнечных электростанций
Принцип работы современных солнечных электростанций (СЭС) основан на сборе сконцентрированной солнечной энергии 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.
Рисунок 1 – Принцип действия солнечной электростанции
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.
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.
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.
Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: “Исследования мировых пространств реактивными приборами”. Он писал: “Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле”.
Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах расположенных как можно ближе к экватору с большим количеством солнечных дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов.
1.2 Башенные и модульные электростанции
В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции (СЭС) башенного типа и солнечные электростанции (СЭС) распределенного (модульного) типа.
Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.
В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 С, воздух и другие газы - до 1000 С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 С, жидкометаллические теплоносители - до 800 С.
Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечных электростанциях мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га.
Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250м.
В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.
1.3 Термодинамические солнечные электростанции
Принцип действия термодинамических солнечных электростанций основан на нагревании теплоносителя солнечным излучением с помощью специальных оптических систем с дальнейшим преобразованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую.
Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию, как правило, осуществляется по трём направлениям: применение рассредоточенных коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней, применение солнечного коллектора с центральной трубой.
В настоящее время наибольшее распространение получили СЭ с рассредоточенными коллекторами. Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя осуществляется множеством сравнительно небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо ориентируется на солнце. Концентраторы имеют зеркальную отражающую поверхность параболической формы. В фокусе концентраторов устанавливается приёмное устройство, в котором солнечная энергия передаётся жидкости, выполняющей функции теплоносителя. Энергия нагретой жидкости от всех коллекторов используется для получения механической энергии с помощью тепловых двигателей.
Как правило, в качестве теплоносителя используется вода, которая под воздействием концентрированного солнечного излучения преобразуется в пар. Под высоким давлением он поступает на лопатки турбины, на одном валу с которой находится генератор электроэнергии. После использования в турбине пар концентрируется и возвращается в энергетический блок, где вода вновь преобразуется в пар.
Самый распространённый тип электростанций – СЭ с параболическими зеркалами.
В солнечных электростанциях башенного типа оптическая система представляет собой комплекс автономно ориентированных зеркал-гелиостатов, установленных на башне. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется аналогично энергопреобразованию на тепловых электростанциях.
Эксплуатационно-технические характеристики СЭ башенного типа ниже, чем станции с рассредоточенными коллекторами.
В целом СЭ термодинамического типа целесообразно использовать на больших мощностях, превышающих 100 МВт.
Солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС) используют эффект прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию.
СФЭС в настоящее время очень распространены. Они состоят из большого числа отдельных модулей (солнечных батарей) различной мощности и выходных параметров. СФЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться СБ могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Мощность СБ изменяется в широком диапазоне, они могут снабжать энергией как отдельные насосы, так и небольшой посёлок.
При проектировании СФЭС важным вопросом является расположение неподвижных солнечных модулей. Известно, что их устанавливают непрерывными параллельными рядами. Однако если расстояние между вертикальными рядами СБ будет недостаточным, может возникать их взаимное затенение. Оно уменьшает освещенную площадь световоспринимающей поверхности СБ и приводит к снижению вырабатываемой ими электроэнергии. Большие расстояния между рядами солнечных модулей приводят к неоправданному завышению требующейся под электростанцию площади земли.
СФЭС подразделяются на автономные и сетевые (системы, работающие параллельно с сетью).
Глава II. Эксплуатация солнечных электростанций
2.1 Срок службы солнечных батарей
Срок службы солнечных батарей определяется коэффициентом деградации солнечных фотомодулей, который зависит от производителя, точнее от технологичности и качества его продукции. Большинство производителей из топ-списка Tier 1 закладывают ежегодную потерю мощности солнечной панели в размере 0,8-1% (существуют и новые премиум модели с 0,3- 0,5% коэффициентом).
Это гарантирует покупателю то, что через 20-25 лет его солнечная установка будет вырабатывать 80-85% от установленного номинала мощности на год производства и инсталляции солнечных панелей. И даже после этого 25 летнего срока службы солнечная панель не выйдет сразу же из строя, она продолжит еще десятилетия работать, но уже с чуть худшими характеристиками производительности. За предполагаемый срок службы солнечных батарей, вы скорее всего поменяете 2, а то и 3 инвертора. Гарантия производителей на механические повреждения в среднем 5 лет для среднего ценового сегмента, и 10-12 лет для премиум класса.
Деградация поликристаллических солнечных панелей происходит немного быстрее чем монокристаллических. Исходя из их ней ценовой политики, срок окупаемости систем на поликристаллических фотомодулях наступит значительно быстрее, но и быстрее потребуют замены после 30 лет эксплуатации, особенно это касается солнечных панелей среднего и низкого ценового сегмента. Поэтому мы не рекомендуем их покупать и устанавливать.
2.2 Обслуживание солнечных батарей
Эксплуатация солнечных батарей подразумевает несложный и не особо затратный процесс обслуживания солнечных панелей. Конечно это немного сложнее чем практически ничего не делать, когда ваш дом подключен к общим электрическим сетям, но и не сложнее чем с любой другой домашней техникой, которая требует технического ухода.
Если ваша установка была куплена у проверенных поставщиков, то вам, как клиенту доступен полный сервис обслуживания солнечных батарей и ремонта вашей покупки. А эксплуатация солнечных батарей не будет вызывать дополнительных проблем. Все что вам необходимо делать — это мониторить выходные параметры вашей солнечной станции, и в случае, если инвертор показывает ошибку, или отсутствие генерации на каком-либо стринге, то связаться с представителями фирмы-инсталлятора.
Рисунок 2 – Солнечная станция
То, что мы рекомендуем делать владельцам солнечной станции для повышения эффективности работы солнечных панелей:
— при длительном налипании снега, по возможности очистить от него фотомодули. Но не стоит браться за это дело сразу же после первого снегопада, т.к. сама солнечная панель при работе зимой нагревается от солнца и способна растопить небольшое налипание снега.
— при долгом отсутствие дождей и сильной запыленности или загрязнении фотомодулей самостоятельно помыть их со шланга (но не в жаркое время, когда фотомодуль сильно нагрет).
— удалять любое крупное налипание мусора на солнечную панель.
На что надо обратить внимание при уходе за солнечной станции:— Общее состояние солнечных панелей, контактов и изоляции соединения солнечного кабеля;
— Проверка и чистка инвертора от пыли, особенно для систем с вентиляторами;
— Осмотр систем креплений на наличие коррозии или ослабленных болтовых соединений;
— Проверка работоспособности заземления;
— Если есть, то проверка целостности системы АКБ, их контактов и изоляции;
2.3 Правила эксплуатации солнечных батарей
Основная ошибка покупателей солнечных батарей (или солнечных электростанций) – это мысль, что солнечные батареи не надо обслуживать….. Это очень большое заблуждение!
Одним из главных условий возврата инвестиций, вложенных в построение солнечной электростанции, является регулярный технический уход за солнечными батареями и другими элементами системы (провода, контроллеры, инверторы, АКБ (если есть), электротехнические изделия….).
Важным условием правильной работы и окупаемости системы солнечной электростанции является наличие лица (или службы), ответственного за эксплуатацию и мониторинг системы.
Если налажен мониторинг работы системы, то обслуживание солнечных панелей и других элементов системы не представляет больших трудностей.
Мониторинг включает в себя несколько важных параметров оценки жизнедеятельности солнечной электростанции:
- Состояние крепежных элементов системы солнечных панелей. Ослабление, отсутствие и коррозия креплений солнечных панелей может привести к выходу из строя системы.
-  Состояние каждого фотоэлектрического модуля очень важно. При начальной инсталляции обязательно необходимо проверять каждый модуль на работоспособность, так как даже 1 модуль в системе приведет к большим потерям в генерации системы солнечной электростанции.
- Инверторы, как основной силовой элемент системы, преобразующий постоянный ток от солнечных панелей в переменный, имеют свойство накапливать пыль и страдать от перегрева. Своевременная очистка инверторов от пыли и особенно вентиляторов охлаждения, способна существенно продлить жизнь системы солнечной электростанции и не снижать ее КПД. Это касается всех типов инверторов, в том числи и наружной установки, предназначенных даже для суровых климатических условий эксплуатации.
- Заземление: прописная истина, но нелишне напомнить, что заземление является важным элементом безопасности любой электрической системы. Проверка состояния контактов и изоляции проводников обязательно и регулярно нужно проводить на Вашей солнечной электростанции.
Рисунок 3 – Элементы молниезащиты и заземления для частного дома
- Электропроводка: состояние проводов, надежность контактов в местах соединений, механические повреждения электроизоляционных трубок, в которых проложены электрические провода – это те «мелочи», которые существенно влияют на потери при генерации и эксплуатации солнечной электростанции, а следовательно, на возврат инвестиций.
- Расположение системы, ее доступность для обслуживания и ремонта, отсутствие затенения солнечных панелей от появляющихся препятствий солнечному свету – все это влияет на оптимизацию работы солнечной электростанции.
- Самая простая и важная часть мониторинга и эксплуатации – поддержание чистоты солнечных панелей системы генерации. Чистые солнечные панели дают вам не менее 15 – 20% прибавки (вернее «не потери») в генерации вашей солнечной электростанции.
Производители обычно рекомендуют проводить плановые работы по обслуживанию солнечных панелей и элементов системы не менее 2-х раз в год. Но реальная частоты проведения таких работ зависит от условий расположения и эксплуатации солнечной электростанции.
Рисунок 4 – Последствие некачественной установки
В специализированной литературе есть понятие рейтинга безотказной работы солнечных электростанций. Так вот – этот рейтинг будет тем выше, чем лучше и регулярнее вы организуете мониторинг состояния и обслуживание вашей солнечной электростанции.
Это можно поручить специализированной организации или организовать собственными силами.
Кроме того, в данном реферате хотелось бы лишний раз упомянуть прописную истину - дешевое не может быть качественным! Поэтому не стоит гнаться за дешевизной панелей, очень важно приобрести товар надлежащего качества и у проверенных поставщиков. Последствия установки некачественных солнечных панелей можно увидеть на рис. 4.
Заключение
В заключение рассмотрим достоинство и недостатки солнечных электростанций.
Достоинства солнечных электростанций (Достоинства СЭС):
1. Общедоступность и неисчерпаемость источника;
2. 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).
3. Постоянный бесплатный источник питания;
4. Возможность увеличения мощности системы до 30 кВт;
5. Короткий срок окупаемости СЭС 4-5 лет делает ее экономически очень выгодной;
6. Бесшумность и абсолютная экологическая безопасность;
7. СЭС не требуют технического обслуживания;
8. Большой ресурс эксплуатации. Любая солнечная электростанция (СЭС) работает более 25 лет;
9. Развитый сервис и гарантийное обслуживание компонентов.
Недостатки солнечных электростанций. (Недостатки СЭС):
1. Зависимость от погоды и времени суток;
2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии;
3. При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности;
4. Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур);
5. Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли;
6. Нагрев атмосферы над электростанцией.
Приведу один пример стоимости комплекта солнечных электростанций для дома.
Электростанция «Солнечная дача», 1.6 кВт/400Ач/1000 Вт, совместное производство Россия-Китай, цена 159 660 рублей за комплект.
Предназначена для обеспечения электричеством небольших объектов, не подключенных к электросетям. При эксплуатации в средней полосе России в солнечный период (апрель-сентябрь) станция производит 4,4 кВт ч в сутки, осенью и зимой до 2,0 кВт ч в сутки.
В комплект входит:
1. Панель солнечная 250 Вт ‑ 4 шт;
2. Контролер АКБ ‑ 1 шт;
3. Инвертор Expert MKS ‑ 1 шт;
4. Аккумуляторная батарея ‑ 2 шт;
5. Стеллаж ‑ 1 шт;
6. Щит автоматического управления ‑ 1 шт;
7. Комплект проводов ‑ 1 шт.
Дополнительно потребуется: монтажные крепления панелей и комплект кабелей для удаления более 5 м. Минимальный срок службы СЭС 25 лет. Элементы станции не требуют сервисного обслуживания в период эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Солнечная энергетика: учебное пособие для вузов /под ред. Виссарионова В. И., М.: изд. дом МЭИ, 2008;
2. Дьяков А. Ф. Малая энергетика России: проблемы и перспективы. М.: «Энергопрогресс: энергетика», 2014;
3. Умаров Г. Я., Ершов А. А. Солнечная энергетика. М.: «Знание», 1974;
4. Челяев В. Ф. Солнечная энергетика - энергетика будущего. «Энергия: экономика, техника, экология», № 10, 2008;
5. Андреев С.В. Солнечные электростанции. М.: «Наука», 2016;
6. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки М.: «Энергоатомиздат», 2015;
7. О чем пишут научно-популярные журналы мира. "Наука и жизнь" № 6, 2008, с. 111 – 112;
8. Сворень Р. Преодолевая немалые трудности, человечество все же продвигается к самым экологически чистым и безопасным энергетическим установкам, для которых к тому же земные запасы топлива безграничны. "Наука и жизнь"№ 8, 2016, с 19 – 23;
9. Руденко Б. Солнце и ветер, лед и вода. «Наука и жизнь», № 8, 2015, с 58 – 61.