Методы построения солнечной энергосистемы

Введение

В связи с увеличением производства тонкопленочных солнечных модулей в мире наблюдается быстрый рост производства солнечной электроэнергии. Высокие темпы развития этой отрасли в западных странах позволяют предположить, что солнечные панели (СК) вскоре станут одним из основных источников электроэнергии.
Известно, что солнечные электростанции (СЭ) могут быть двух типов: термодинамические и фотоэлектрические.
Принцип действия термодинамических солнечных электростанций основан на нагреве теплоносителя солнечным излучением с помощью специальных оптических систем с последующим преобразованием тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую.
Преобразование солнечной радиации в тепловую энергию, как правило, осуществляется по трем направлениям: использование распределенных коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней, использование солнечного коллектора с центральной трубкой.
1 Конструкция электроприводов, изменяющих угол пространственной ориентации зеркал солнечной электростанции (СЭС) башенного типаВ центре станции находится башня высотой 18-24 метра (в зависимости от мощности и других параметров высота может быть больше или меньше), наверху которой находится резервуар с водой.
Этот резервуар окрашен в черный цвет для поглощения теплового излучения.
Также в этой башне находится насосная группа, которая подает пар к турбогенератору, который находится за пределами башни.
Гелиостаты расположены по кругу от башни на некотором расстоянии.
Гелиостат - зеркало площадью несколько м2, закрепленное на опоре и подключенное к общей системе позиционирования.
В зависимости от положения солнца зеркало будет менять ориентацию в пространстве.
Основная и самая сложная задача - расположить все зеркала станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные от них лучи попадали на танк.
В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 ° C.
Такие температурные параметры используются на большинстве обычных тепловых электростанций (ТЭС), поэтому для выработки энергии используются стандартные турбины.

Рис. 1. Схема солнечной электростанции башенного типа
Фактически на таких СЭС можно получить относительно высокий КПД (около 20%) и большую мощность.
Пуск современной солнечной электростанции башенного типа состоялся 30 марта 2007 года в районе Санлукар-ла-Майор недалеко от Севильи (Испания). Красивая бетонная башня высотой 115 м и 624 зеркала гелиостата площадью 120 м 2 обеспечивают паром паровую турбину мощностью 11 МВт, которой достаточно для питания 6000 домов, что позволяет сократить выбросы углерода на 18 000 тонн в год.
Рядом с этой станцией уже строится еще одна аналогичная станция (PS2), но более мощная. Будет установлено около 1255 зеркал. Проектная мощность электростанции - 20 МВт. Запуск второй станции сократит выбросы CO2 в атмосферу на 54 000 тонн в год и обеспечит электричеством около 18 000 домов. В целом, к 2013 году солнечные установки с различным принципом действия, которые будут установлены на площадке в Санлукар-ла-Майор, будут иметь общую электрическую мощность 300 МВт, что достаточно для удовлетворения потребностей в электроэнергии такого города, как Севилья.
2 Алгоритм поворота зеркал СЭС башенного типаИзменение геометрии оптической системы в течение суток - основная характерная особенность работы наземной СЭС. Космическую СЭС можно объединить в единую жесткую конструкцию, похожую на концентратор солнечной печи и ориентированную как единое целое относительно Солнца. В наземных условиях аналогичный принцип реализован в крупногабаритных зеркальных радиотелескопах, но неприменим для крупных солнечных электростанций (СЭС). Попытка сохранить этот принцип была предпринята в первом проекте башенной солнечной электростанции, в котором зеркала смешивались по концентрическим рельсовым путям вокруг башни. В реализованных проектах экспериментальных солнечных электростанций (СЭС) принцип моноконцентратора не применялся, но время от времени он встречается в предложениях по созданию СЭС мощностью до 2 МВт.
В современных проектах положения зеркал фиксируются, меняется только их ориентация. Зеркала ориентированы таким образом, чтобы при изменении направления падающих лучей из-за видимого движения Солнца направления отраженных потоков оставались постоянными и для каждого гелиостата совпадали с направлением излучения на стационарный приемник. Для этого зеркала снабжены механизмами ориентации и автоматикой, которые изменяют ориентацию каждого гелиостата таким образом, чтобы нормаль к зеркалу в любой момент времени совпадала с биссектрисой плоского угла, образованного гелиостатом-солнцем и гелиостатом-приемником. направления.
Характерные потери оптико-геометрического происхождения являются следствием отказа от перемещения зеркал. Наряду с ними есть оптико-физические и тепловые потери.
Потеря проекции зеркальной поверхности неизбежна для наземных СЭС с фиксированным зеркальным полем. В любой момент наиболее эффективно работают те зеркала, для которых направления на Солнце и приемник близки. Они почти перпендикулярны балкам и перекрывают как можно большую часть первичного потока. Пределы азимутального движения Солнца очень широки, поэтому ни один фиксированный гелиостат не находится в оптимальных условиях в течение дня. Из-за преобладающего дневного движения Солнца в южной части небесной сферы гелиостаты, расположенные к северу от башни, в среднем работают более эффективно.
Эффективная площадь гелиостата определяется проекцией зеркала на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам. Система зеркал не может поймать поток, больший, чем тот, который сейчас падает на отведенный для нее земельный участок. А этот предельный поток, в свою очередь, определяется проекцией земельного участка на плоскость, перпендикулярную лучам.
Потери затенения зеркальной поверхности возникают при низком уровне Солнца, когда проекция земельного участка становится меньше суммы проекций зеркал и когда проекции отдельных зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на землю. поле со стороны Солнца.
Коэффициент заполнения земельного участка зеркалами, равный отношению площади гелиостата к площади отведенного под него земельного участка, связан с уровнем угловых высот Солнца, ниже которого штриховка начинается. Чем ниже коэффициент заполнения, тем ниже этот уровень. Однако это соотношение неоднозначно, так как при одном и том же значении коэффициента заполнения гелиостаты могут располагаться по-разному относительно друг друга.
Блокирующие потери зеркальной поверхности аналогичны потерям при затемнении, но относятся не к падающему излучению, а к отраженному излучению. Они возникают, когда проекции зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на зеркала со стороны приемника. В отличие от затенения, при котором рассматривается проекция зеркал на одну плоскость, перпендикулярную всему потоку падающих лучей, блокирование определяется центральной проекцией на сферическую поверхность, перпендикулярную отраженным лучам, сходящимся к приемнику. Еще одно отличие состоит в том, что стремление устранить потери на блокировку приводит к необходимости применять рабочий цикл, зависящий от поля. Гелиостаты, расположенные дальше от башни, должны быть радиально отделены друг от друга на большем расстоянии, чем ближайшие.
Расхождение лучей в каждом элементарном потоке, отраженном от одного гелиостата, также косвенно связано с потерями определенного вида. Сам первичный поток лучей не является полностью параллельным, поскольку Солнце не является точечным источником. При отражении потока на эту первичную непараллельность накладываются дополнительные отклонения лучей, связанные с дефектами зеркал. Наконец, системы ориентации гелиостата также вносят ошибки. Поскольку нас интересует интегральный эффект от многих гелиостатов, мы можем рассмотреть суммарный эффект влияния дефектов зеркал и ошибок ориентации и описать этот эффект некоторым средним статическим законом расходимости лучей в отраженном потоке.
Потеря неполного захвата отраженного потока приемником происходит из-за расхождения лучей и может снизить полезный вклад гелиостатов периферийной части поля. Эти потери зависят только от соотношения геометрических размеров гелиостата и приемника и расстояния между ними и не связаны с рассеянием излучения атмосферой. Толщина земной атмосферы отфильтровывает спектральные компоненты, подверженные поглощению и рассеянию уже на пути солнечного луча к гелиостату, так что остальная часть спектра практически не ослабляется, поскольку луч продолжает следовать от гелиостата к приемнику. , даже на большом расстоянии между ними. Потери на неполное отражение обусловлены оптико-физическими свойствами и состоянием зеркального покрытия гелиостатов и, в отличие от оптико-геометрических потерь, являются постоянным фактором, описываемым коэффициентом отражения. Коэффициент отражения зависит от угла падения лучей, но этот эффект второго порядка практически не влияет на характеристики СЭС. Реальное влияние на работу солнечных электростанций (СЭС) может оказать средний рабочий уровень запыленности поверхности зеркала.
Потери тепла с лучистой поверхности приемника определяются режимом работы ТЭЦ СЭС. Однако их необходимо учитывать при проектировании оптической системы, поскольку приемник является ее неотъемлемой частью и тепловые потери зависят от тех же параметров (формы и размера приемника), которые влияют на потерю неполного захвата лучистый поток.
Именно эта связь составляет основную проблему при проектировании оптических систем для СЭС. Оптическая система должна удовлетворять ряду противоречивых требований. Например, зеркала должны заполнять участок земли достаточно плотно, чтобы собирать и отражать в приемник достаточно большую часть потока первичного излучения, падающего на этот участок. При этом зеркала не должны заслонять и загораживать друг друга во избежание потери полезной площади общей поверхности зеркала. Система зеркал должна создавать достаточно высокую плотность потока излучения на принимающей лучи поверхности и, следовательно, содержать большое количество отдельных элементов. Но увеличение количества элементов требует увеличения периферийной части поля, гелиостаты которой из-за расходимости лучей вносят (каждый в отдельности) все меньший вклад в общую концентрацию и увеличивают размер «фокусное ядро» концентрированного потока, требующее все больших размеров приемника и обесценивающее вклад в средний уровень концентрации от ближайших гелиостатов.
Сочетание этих и других особенностей оптической части СЭС превращает ее в систему с прочными внутренними связями, нарушение каждой из которых может привести к потере ее основного функционального качества - концентрирующей способности. С другой стороны, система преобразования энергии - теплоэнергетический комплекс СЭС также является системой с прочными внутренними связями из-за номинальных режимов работы используемого оборудования и допусков отклонений от этих режимов. Описание этих двух подсистем СЭС (оптической и термодинамической) принципиально различно и сформулировано в терминах двух разных областей знаний.
Таким образом, приемник солнечной электростанции (СЭС), являясь одновременно частью оптической и термодинамической подсистем, должен удовлетворять два разных типа требований, а также по допустимым вариациям параметров подсистем, помимо собственных ограничений, дополнительные взаимные ограничения должны быть наложены из-за косвенного соединения подсистем через теплотехнические и оптико-геометрические параметры ресивера-парогенератора.

Заключение

Энергетический потенциал солнечной энергии распределен по территории России относительно равномерно. Поэтому возможно широкое использование СЭ как для прямого, так и для диффузного производства энергии. Основная распространенная рекомендация о целесообразности использования солнечных батарей - это уровень удельной годовой инсоляции, которая должна быть более 1000 кВтч / м 2 горизонтальной поверхности.
Окончательный вариант комбинированной системы электроснабжения и степень участия в выработке электроэнергии традиционными и возобновляемыми источниками энергии определяется на основе анализа энергетического баланса и электромагнитной совместимости основных функциональных элементов системы.
Таким образом, с учетом рассмотренных в статье методов построения солнечной энергосистемы эффективность проектирования и использования солнечных и комбинированных электростанций повысится.

Список использованной литературы

1. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. – М.: КолосС, 2003. – 532 с.
2. Амерханов Р.А., Цыганков Б.К., Бегдай С.Н., Кириченко А.С. и др. Перспективы использования возобновляемых источников энергии / Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2013. – № 42. – С. 185 – 189.
3. Лукутин Б.В., Суржикова О.А., Шандарова Е.Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении. – М.: Энергоатомиздат. – 2008. – 231 с.
4. Лукутин Б.В., Муравлев И.О., Плотников И.А. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2015. – 128 с.
5. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е., Квитко А.В. Возобновляемые источники энергии: термины, определения, достоинства и недостатки // Труды КубГАУ. – Краснодар, 2011, № 5, с.189 – 192.