История солнечных электростанций

Введение
Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: "Исследование мировых пространств реактивными аппаратами". Он писал: "Реактивные устройства покорят бескрайние пространства для людей и будут давать солнечную энергию в два миллиарда раз большую, чем та, которой располагает человечество на Земле".У нас есть не только Земля, но и весь огромный Космос, ресурсы которого разнообразны и неисчерпаемы. Оптимисты уверены, что придет время, когда все самое энергоемкое и вредное для человека и других живых организмов будет размещено в космическом пространстве, а Земля - необычайно красивая и ухоженная "колыбель разума" - будет использоваться только для отдыха, лечения и некоторых экологически чистых научных исследований.Энергию солнца можно использовать 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 экономически целесообразно использовать солнечную энергию для горячего водоснабжения сезонных потребителей, таких как объекты спорта и отдыха, базы отдыха, дачные поселки, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов.В сухом жарком климате Центральной Азии рационально использовать установки для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медикаментов и т.д.1.История солнечных электростанцийВ 1912 году известный ученый К.Э. Циолковский обратил внимание общественности на то, что неисчерпаемая, огромная энергия Солнца может быть использована в нашей жизни. Таким образом, энергия солнца может быть полезна не только на земле, но и в космосе. В глобальном масштабе солнечные электростанции строятся ближе к экваториальным регионам, где темпы установки самые высокие в год. Сегодня очень интересно активно использовать солнечную энергию для таких объектов, как загородные дома, коттеджи, спортивно-оздоровительные комплексы и базы отдыха, бассейны и т.д.Одним из первых экспериментов с использованием потенциала солнца является солнечный двигатель, созданный в 1600 году во Франции, который работал на нагретом воздухе и перекачивал воду. Далее, в конце 18 века, была предпринята попытка создать солнечную печь, где температура достигала 1650 градусов по Цельсию. Позже в Алжире, в 1866 году, исследователи попытались создать "солнечные концентраторы" для дистилляции воды. После этого было еще несколько попыток применить солнечный свет. Но только недавно развитие этой отрасли приобрело поистине глобальный масштаб, и процесс преобразования ультрафиолетового излучения стал понятным и доступным для различных целевых применений.Почему энергия солнца универсальна? Она может быть преобразована в тепловую, механическую, электрическую энергию. То есть его можно использовать для самых разных целей – обогрева, охлаждения помещений и зданий, участвовать в сложных технологических процессах, где необходимо наличие очень высоких или низких рабочих температур. Использование солнечной энергии также оправдано для получения горячей воды, опреснения морской или высокоминерализованной воды, сушки различных материалов и т.д.Преобразование солнечной энергии в потребляемую электроэнергию происходит на солнечных электростанциях. Сегодня солнечные электростанции используются в основном двух типов. Первый тип - башенные, второй - модульные солнечные электростанции (площадки), или распределительные.Говоря более подробно, станция башенного типа использует устройство с полем гелиостатов в качестве основного приемника. Отслеживание Солнца - довольно сложный процесс, так как он требует движения вокруг двух осей. Это означает, что только специально запрограммированные компьютерные системы могут управлять такими станциями. Основным недостатком башенных станций является их высокая стоимость и огромные площади, необходимые для размещения всех компонентов. Например: для размещения солнечной электростанции, где мощность соответствует 100 МВт, потребуется площадь в 200 гектаров, но для знакомой нам атомной электростанции мощностью 1000 МВт потребуется всего 50 гектаров.Второй тип - модульные или распределительные солнечные станции, которые включают в себя большое количество модулей, состоящих из концентратора солнечного излучения и приемника для нагрева рабочей жидкости, которая подается в двигатель, подключенный к электрогенератору. Модульные солнечные электростанции характеризуются меньшей мощностью, но они более экономичны.2.Виды солнечных электростанцийВсе солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:СЭС башенного типаСЭС тарельчатого типаСЭС, использующие фотобатареиСЭС, использующие параболические концентраторыКомбинированные СЭСАэростатные солнечные электростанцииМобильные солнечные электростанцииСолнечные 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.СЭС, построенная в КрымуСолнечные 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 посёлкаСолнечные 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 СтирлингаПредставляют 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 электростанцииСолнечные 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.3.Башенные электростанции Существует множество способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Наиболее эффективен для целей большой энергетики – паротурбинный на основе цикла Ренкина (он же используется на обычных ТЭС).Принцип действия «башенной» СЭСДля преобразования солнечной радиации в электроэнергию в промышленных масштабах нашла применение концепция солнечной электростанции. Для целей большой энергетики нашли применение активные солнечные тепловые системы на основе «Башенных» СЭС, действующих по следующему принципу: Наземные гелиостаты (зеркала, фокусирующие солнечные коллекторы) концентрируют солнечные лучи, автоматически улавливая солнце в течение дня. Они отражают и фокусируют их на вершине энергетической башне, где огромная концентрация энергии заставляет воду в котле кипеть (200°С) и превращаться в пар. Получаемый в котле пар по трубам подается на турбину, на Землю, вращает ее и вырабатывает электричество. Для повышения эффективности станции зеркальные отражатели снабжаются «следящей» за солнцем системой.Далее пар охлаждается в конденсаторе и уже в виде воды снова попадает в котел.Центральные приемники, применяющиеся на действующих СЭС, подразделяются па приемники внешнего облучения, у которых тепловоспринимающие панели расположены по наружной цилиндрической поверхности, и приемники полостного типа, отличающиеся более сложной конструкцией и более высоким КПД (до 90 %).Для обеспечения работы станции в периоды кратковременных перерывов в поступлении солнечной радиации предусмотрена система аккумулирования теплоты. Рис.2. Башенные СЭС1- гелиостаты; 2- котел с водой; 3- турбина; 4- генератор; 5- конденсатор.Недостатки:Высокая стоимость, связанная в первую очередь со стоимостью дорогостоящих оптических систем (гелиостатов);2. Система слежения за Солнцем сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей, управление осуществляется с помощью компьютера.3. Относительно большая занимаемая площадь. Для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 гектаров. Для сравнения: для строительства атомной электростанции мощностью 1 тыс. МВт требуется всего 50 га;Оптимальная мощность башни SAYS составляет 100 МВт; до 10 МВт нерентабельны, высота башни составляет 250 м.4. Необходимо предусмотреть систему защиты зеркал от загрязнения, что еще больше увеличит стоимость станции. Оказалось, что не любая вода подходит для мытья зеркал, поэтому они изобрели специальный моющий агрегат.5. Также необходимо предусмотреть защиту поля гелиостата от пасущихся животных, например, тонким проводом, по которому пропускается слабый электрический ток.Преимущества:Пропускная способность "башенных" станций во многом превышает пропускную способность МОРЕЙ с "солнечными прудами" и покрывает все существующие, но преодолевает технические недостатки. Станции-башни - это станции будущего.Экономическая оценка показала целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500°C и давление 15 МПа. С учетом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация около 1000. Эта концентрация была достигнута путем управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы теплового двигателя в отсутствие солнечной радиации. Башенная СЭС Севилья в Испании, 2007г.Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н.В. Линицким в 1930-х годах.С 1985 года введена в эксплуатацию первая СЭС на крымском побережье Азовского моря – СЭС-5 мощностью 5 МВт, 1600 гелиостатов площадью 25,5 каждый, коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию в центральном приемнике в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и выполняющего функции парогенератора. Каждое из зеркал использует специальную компьютерную программу для "наблюдения" за Солнцем, перемещающимся синхронно со светилом по двум осям - горизонтальной и вертикальной. В 1991 году СЭС-5 оказалась за пределами России, и ее работа прекратилась.В Узбекистане есть еще одна крупная СЭС мощностью 320 тыс. кВт. Котел расположен на высоте 200 м, а вокруг башни расположено гелиостатическое поле с 72 тысячами зеркал. В случае плохой погоды предусмотрен обычный паровой котел на природном газе.В США с 1982 года было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Детальный экономический анализ систем такого типа показал, что с учетом всех затрат на строительство 1 кВт установленной мощности обходится примерно в 1150 долларов. Один киловатт-час электроэнергии стоит около 0,15 доллара.В США, штат Калифорния, была построена первая СЭС башенного типа Solar-1 мощностью 10 тыс. кВт.Франция - "Фемида" - 2,5 тыс. кВт.Западногерманский "Гаст", -20 тыс. кВт.ЗаключениеРоль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации неоспорима. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая прямо или косвенно не требует больше энергии, чем могут дать человеческие мышцы.Потребление энергии является важным показателем уровня жизни. В то время, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось около 8 МДж энергии в день. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж, в первобытном земледельческом обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.Традиционные источники энергии по-прежнему занимают лидирующие позиции в мировой электроэнергетике. Однако для каждого нового кубометра газа или тонны нефти вам нужно идти дальше на север или восток, зарываться глубже в землю. Неудивительно, что нефть и газ с каждым годом будут стоить все дороже и дороже. Кроме того, природные ресурсы ограничены, и, в конце концов, человечество будет вынуждено перейти сначала на широкое использование атомной энергии, а затем полностью на энергию ветра, Солнца и Земли.Альтернативная энергетика может быть использована повсеместно только тогда, когда традиционное топливо становится настолько дефицитным, что его цена становится баснословно высокой, или когда экологический кризис ставит человечество на грань самоуничтожения. Уже сейчас можно значительно снизить вероятность парникового эффекта и устранить все экологически неблагоприятные районы за счет использования чистой альтернативной энергии. Однако этого пока не произошло из-за низкой рентабельности такого строительства. Никто не хочет вкладывать свои деньги в то, что окупится только через несколько столетий. Ведь подготовительные работы по использованию любого альтернативного источника энергии обходятся очень дорого, кроме того, они не всегда безопасны как для людей, так и для окружающей среды. Поэтому немедленного ввода в эксплуатацию "правильного" источника электроэнергии в ближайшем будущем ожидать не следует.
Библиографический список

1. Булатов Б.Г. Введение в направление «Энергетика и электротехника». Учебное пособие для бакалавров, обучающихся по профилям: «Системы генерации электрической энергии», «Интеллектуальные электроэнергетические системы и сети» и «Интегрированные системы релейной защиты и автоматики»/Издательский центр ЮУрГУ, Челябинск, 2015., 98 с. 2. Демидова Г.Л., Лукичев Д.В. Введение в специальность Электроэнергетика и электротехника– СПб: Университет ИТМО, 2016. –108 с. 3. Введение в специальность: учебное пособие/М. А. Мастепаненко, И. К. Шарипов, И. Н. Воротников, Габриелян Ш. Ж., А. В. Ива шина, С. В. Аникуев, В. Н. Шемякин. – Ставрополь: АГРУС – Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2014. – 113 с. 4. А. да Роза. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие/ Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект»;М.: Издательский дом МЭИ:2020. – 704 с.