Получение электроэнергии

В системах непрямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую - на гелиотермических (солнечных тепловых) элек­тростанциях солнечная энергия, аналогично энергии органического топ­лива на ТЭС, превращается сперва в тепловую энергию рабочего тела, напри­мер, пара, а затем в электрическую. Основными элементами явля­ются устройства солнечного поля – коллектор из параболических зеркал и системы паропроводов, системы слежения и управления. Зеркала направляют концентрированное солнечное излучение на трубы парогенераторов. Системы слежения и управления обеспечивают оптимальный угол поворота зеркал по отношению к солнцу и паропроводам для создания максимально мощного потока энергии (реализуются на базе ЭВМ). Можно создать гелиотермические электростанции мощностью до нескольких десятков и даже сотен мегаватт. В настоящее время существует определенный опыт строительства и эксплуатации солнечных тепловых электростанций, например, в Южной Калифорнии, в Крыму. Так, солнечная электростанция с паро­силовым циклом мощностью 90 МВт с солнечным полем площадью 450000 м² имеет общий КПД по тепловой и электрической энергии -38%.

Лучшими технико-экономическими характеристиками обладает тепловая электростанция с интегрированным солнечно-комбинирован­ным циклом. Она вклю­чает газотурбинную установку, работающую на традиционном органи­ческом топливе, и паротурбинную установку, приводимую в действие потоками пара высокого и низкого давления. Подобная гелиотермическая электростанция с интегрированным цик­лом мощностью 90 МВт при площади солнечного поля 200000 м² по­зволяет увеличить общий КПД до 50%. Кроме того, при интегрирован­ном цикле достигается определенная независимость от изменений характеристик солнечной радиации из-за погоды и времени суток и года.

Следует отметить, что такой недостаток практически всех систем преобразования солнечной энергии, как невозможность выработки электрической и тепловой энергии в ночное время суток может положительно сказываться на работе национальной (региональной) энергосистемы в целом. Номинальная мощность основных электростанций (тепловых, атомных) покрывает основную нагрузку (среднесуточную или равную ночной нагрузке), а рост энергопотребления в дневное время суток обеспечивается работой гелиотермических станций, ГТУ, ПГУ; пиковые нагрузки обеспечиваются кратковременными включениями в работу различных типов ГЭС и т.д. Проблема круглосуточного обеспечения потребителя электроэнергией от автономных гелиотермических станций может быть решена совмещением солнечных станций с ГАЭС.

Прямое преобразование солнечной энергии в электроэнергию. Осуществляется на базе фотоэлементов различных типов. В настоящее время наиболее эффективны кремниевые фотоэлементы. Однако они очень дороги и их кпд не превышает 15%. Целесообразно их практическое применение в зарядных устройствах фотоаппаратов, калькуляторов, часов и т.д., в электромобилях, в централизованных солнечных станциях (50-5000 кВт), снабжающих энергией поселки и небольшие города. Также рекомендуется использование фотоэлементов для автономных потребителей (0,01-10 кВт): насосы, ирригация, холодильники, вентиляторы, аэрация водоемов, мобильные с/х установки, системы телекоммуникации и связи. Весьма перспективным направлением использования фотоэлектрических преобразователей является установка отдельных модулей мощностью 1-20 кВт на крышах и стенах «солнечных домов» и привязка их к энергосистеме, как показано на рис. 12.

Что касается крупных электростанций, то предложено два вариан­та реализации принципа фотоэлектрического преобразования. Первый заключается в создании солнечных станций на искусственных спутни­ках Земли, оборудованных солнечными панелями из фотоэлементов площадью от 20 до 100 км² в зависимости от мощности станции. Выра­батываемая на спутниках электроэнергия будет преобразовываться в электромагнитные волны в микроволновом диапазоне частот, направ­ляться на Землю, где приниматься приемной антенной (рис. 12). Второй вариант предполагает монтаж сборных панелей солнечных фо­тоэлектрических элементов в малонаселенных и малоиспользуемых пустынных районах Земли. Для реализации этих проектов предстоит провести большой объем научных исследований и решить серьезные научно-технические проблемы.

Весьма перспективным направлением использования солнечной энергии является получение водорода путем разложения воды на катализаторах-полупроводниках. Водород называют идеальным топливом будущего, так как это очень энергоемкое и экологически чистое топливо (единственный продукт сгорания – вода). Современные катализаторы (In_1-XNi_XTaO₄, х=0-0,2) позволяют использовать для разложения воды до 45% энергии от суммарного солнечного излучения у поверхности Земли (кпд – 45%). Но такие катализаторы обладают высокой стоимостью, что на данном этапе ограничивает их широкое промышленное производство и применение. Работы по повышению их эффективности и снижению стоимости очень активно ведутся во всём мире (лидируют японцы).

Для территории Беларуси свойственны относительно малая интен­сивность солнечной радиации и существенное изменение ее в течение суток и года. В этой связи необходимо отчуждение значительных учас­тков земли для сбора солнечного излучения, весьма большие матери­альные и трудовые затраты. По оценкам, для обеспечения потребнос­тей Беларуси в электроэнергии при современном техническом уровне требуемая площадь фотоэлектрического преобразования составляет 200-600 км², т.е. 0,1-0,3% площади республики. Появились предложения об использовании территории Чернобыльской зоны для строительства пло­щадок солнечных и ветровых электростанций.

Для нашей республики реально использование солнечной энер­гии для сушки кормов, семян, фруктов, овощей, подъема и подогрева воды на технологические и бытовые нужды. В результате возможная экономия ТЭР оценивается всего в 5 тыс. тут/год. В республике на­чат выпуск гелиоводонагревателей и уже накоплен некоторый опыт их эксплуатации.

Дальнейший прогресс в создании надежных, технически совершенных, экономичных и простых в эксплуатации конструкций энергоустановок на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии позволит не только решить проблему ограниченности энергоресурсов и ряд проблем экологического характера, но и существенно снизить себестоимость вырабатываемой энергии. Это видно из таблицы, где приведены данные некоторых зарубежных специалистов.

Таблица 6 – Стоимость электроэнергии за рубежом, $/кВт∙ч

Источники энергии
Нетрадиционные возобновляемые источники энергии
Гелиотермические ЭС	0,07	0,04	0,01
Фотоэлектрические ЭС	0,12	0,05	0,03
Выработка тепловой энергии	0,35	0,06	0,02 - 0,03
АЭС и станции на органическом топливе
АЭС	0,04 - 0,13
ТЭС (на мазуте)	0,06
ТЭС (на угле)	0,04

Однако строительство таких установок требует очень серьезных начальных капиталовложений. Материалоемкость и трудоемкость их создания в десятки и даже сотни раз выше, чем для электростанций сопоставимой мощности на традиционных энергоресурсах. Наша республика в настоящее время не располагает достаточными финансовыми ресурсами для широкого внедрения в национальную энергосистему НВИЭ. Помимо этого под строительство электростанций на НВИЭ требуется отчуждение земель в сотни и тысячи раз большей площади, чем под строительство АЭС и различных типов ТЭС. Это также накладывает определенные ограничения на развитие нетрадиционной энергетики, как в РБ, так и в мире в целом.

Тема №

Дата добавления: 2015-06-27