полный текст (PDF, ~748 КБ)

70
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БАЗЕ ЭНЕРГИИ
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
П.Ю. Беляков
Профессор Международного института компьютерных технологий, Воронеж
В работе приведен анализ современного
состояния и тенденций развития мировой
гелиоэлектроэнергетики за период с 1996
по 2006 год.
Среди всех доступных человечеству источников энергии Солнце является действительно
неиссякаемым, не оказывающим разрушающего влияния на окружающую среду и возобновляемым. Энергия, выделяющаяся в процессе
происходящей на Солнце термоядерной реакции, распространяется в космическое пространство в виде излучения, общая мощность
которого составляет около 3,8·1026 Вт. Земля
получает от Солнца около 1,58·1018 кВт·ч лучистой энергии в год. Поток мощности, падающий
на поверхность атмосферы нашей планеты,
составляет 180·106 ГВт и представлен всем
спектром частот электромагнитного излучения.
Его основная часть (около 99 %) расположена в
ультрафиолетовой (длина волны 0,28–0,4 мкм),
видимой (длина волны 0,4–0,76 мкм) и инфракрасной (длина волны 0,76–3,0 мкм) частях
спектра.
Попадая на поверхность Земли, солнечное
излучение частично отражается от нее, часть
своей энергии отдает океанам и суше, в ходе
реакции фотосинтеза производит первичную
биомассу. За счет неравномерного нагрева поверхности планеты порождается глобальная
циркуляцию воздушных масс – ветер, который,
в свою очередь, является причиной возникновения волн. Нагревая и испаряя воду, солнечное излучение является основой ее круговорота в природе, превращаясь при этом в энергию
рек и тепловую энергию океанов.
Таким образом, лучистая энергия солнца
является основой большинства возобновляемых источников энергии, известных человечеству сегодня.
Солнечная энергия косвенно является основой современной топливной энергетики (в
форме химических соединений, из которых состоят ископаемые и биохимические топлива в
частности).
Прямое использование солнечной энергии в
технических целях было осуществлено в XVII веке
electrotech@v-itc.ru
Лавуазье, применившим двояковыпуклую линзу
для плавления железа.
В настоящее время помимо естественного
освещения энергия солнечного излучения непосредственно используется человечеством в
основном в следующих областях:
- горячее водоснабжение и кондиционирование жилья (солнечные коллекторы и кондиционеры);
- получение пресной воды (солнечные опреснители);
- консервация продуктов питания методом
сушки и приготовление пищи (солнечные сушилки и солнечные печи);
- производство электрической энергии (фотовольтаические преобразователи, солнечные
электростанции с термодинамическим циклом и
гелиоаэродинамические электростанции – солнечные электростанции «с эффектом каминной
трубы»).
Наряду с основными, ставшими традиционными сферами применения полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП): электроснабжение маломощной
электронной техники; электроснабжение космических объектов; автономное электроснабжение объектов, удаленных от электрических сетей, – в последнее десятилетие происходит успешное внедрение фотовольтаической технологии в большую энергетику.
Основными производителями солнечной
электроэнергии на конец 2006 года являются
три региона: Западная Европа (40,1%), Восточная и Юго-Восточная Азия (34,6%) и Северная
Америка (19,6%). Причем в Северной Америке
половина (47,4%) солнечной электроэнергии
произведено на электростанциях с гелиотермодинамическим циклом.
На рис. 1 приведено распределение производства электроэнергии солнечного происхождения по регионам мира в конце 2006 года.
В табл. 1 приведены данные по выработке
электроэнергии солнечными электростанциями
в 2006 году в ведущих странах-производителях.
Из этой таблицы видно, что с большим отрывом
в данной отрасли лидируют Германия, Япония
и США.
www.v-itc.ru/electrotech
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
71
Рис. 1. Распределение выработки электроэнергии на базе солнечного
излучения по регионам мира (рисунок Observ’ER)
Таблица 1
Основные производители
гелиоэлектричества в конце 2006
Выработка,
Доля в мировой
Страна
ТВтч
выработке
Германия
2,000
33,8%
Япония
1,886
31,9%
США
1,066
18,0%
Индия
0,114
1,9%
Австралия
0,107
1,8%
Испания
0,105
1,8%
Китай
0,078
1,3%
Италия
0,063
1,1%
Остальные
0,49
8,3%
Общее число установленных солнечных батарей превышает 100 000, а электрическая
мощность станции составляет 20 МВт. Годовая
выработка
электроэнергии
составляет
30 000 МВт·ч.
В конце 2009 года в местечке Брандис, недалеко от Лейпцига должна вступить в строй
гелиоэлектростанция мощностью 40 МВт на
базе пленочных ФЭП с активной площадью
около 400 000 м2.
На рис. 2 приведены кривые, характеризующие тенденции развития мировой солнечной
электроэнергетики на рубеже ХХ и ХХI столетий.
3
В табл. 2 приведены сравнительные данные
по динамике выработки электроэнергии солнечными электростанциями странами - лидерами за прошедшее десятилетие и в 2006 году.
Таблица 2
Темпы роста выработки электроэнергии
солнечными электростанциями за период
с 1996 по 2006 год
Среднегодовые
В период
Страна
темпы
2005-2006, %
роста, %
Германия
62,1
56,0
Япония
42,0
23,1
США
6,80
7,2
в т.ч. фото
22,4
26,1
в т.ч. ГТД
0,6
-7,9
Следует отметить, что преимущественно на
солнечных электростанциях пока используются
кремниевые солнечные батареи.
Самая крупная в мире солнечная электростанция на базе ФЭП Beneixama (Alicante) построена в Испании в 2007 году.
2
1
4
1– США; 2 – Восточная и Юго-Восточная
Азия; 3 – Западная Европа;
4 – прочие регионы
Рис. 2. Динамика среднегодовой выработки
электроэнергии солнечными
электростанциями в период
с 1996 по 2006 год, ТВт·ч
Электротехнические комплексы и системы управления
№2/2008
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
72
Наблюдаемые тенденции развития солнечной энергетики обусловлены не только прорывом в технологиях, но и благоприятными условиями в законодательной сфере и налоговой
политике как развитых, так и развивающихся
стран. Основные усилия исследователей сосредоточены на повышении стабилизированной
эффективности фотоэлектрического преобразования, снижении стоимости материалов и
производства, повышении надежности приборов, на внедрении новых тонкопленочных технологий вместе с развитием моно- и поликристаллических технологий, пока доминирующих
на рынке. Продолжаются разработки по стандартизации качества и производительности изделий фотовольтаики, включая стандарты
ISO9001 и ISO14001.
Основной проблемой на пути широкого распространения фотовольтаических преобразователей до сих пор остается их сравнительно
высокая стоимость.
Наряду с прямым преобразованием энергии
солнечного излучения в электричество находит
применение технология получения электроэнергии на базе термодинамического цикла. В
сущности известные на сегодня установки
представляют собой тепловые электростанции,
у которых источником тепла является Солнце.
Для обеспечения регулярности выработки
электроэнергии такие гелиотермодинамические
электростанции снабжаются аккумуляторами
тепловой энергии и дополнительными энергетическими установками теплового типа.
Гелиотермодинамические
электростанции
относительно большой мощности можно разделить на два основных типа: башенные станции, у которых концентрация солнечного излучения на теплоприемнике, установленном на
вершине башни, осуществляется системой гелиостатов, оснащенных плоскими зеркалами
(см. рис. 3), и станции с рассредоточенными
параболоцилиндрическими концентраторами, у
которых теплоноситель циркулирует по системе
труб, проходящих вдоль фокальной линии параболических зеркал, с ограниченной свободой
ориентации (рис. 4).
а)
б)
а) – общий вид гелиоэлектростанции Solar Two (США, 1996, мощность 10 МВт);
б) – общий вид гелиостата
Рис. 3. Гелиотермодинамическая электростанция башенного типа
а)
б)
а) – общий вид крупнейшей в мире электростанции с распределенными концентратрами (суммарная электрическая мощность 150 МВт); б) – параболический концентратор с секцией трубопровода теплоносителя
Рис. 4. Солнечная электростанция с параболическими зеркалами
electrotech@v-itc.ru
www.v-itc.ru/electrotech
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Установки небольшой мощности (до 25 кВт)
выполняются с использованием концентраторов сферического типа и для выработки электроэнергии используют агрегат двигатель
Стирлинга – генератор.
Следует отметить то, что перечисленные
типы солнечных электростанций (СЭС) с гелиотермодинамическим циклом в обязательном
порядке имеют в своем составе зеркальные
концентраторы и требуют наличия прямого
солнечного излучения достаточно большой
мощности. В связи с этим они строятся только в
районах, удовлетворяющих указанному требованию, в отличие от СЭС на базе полупроводниковых фотопреобразователей, использующих
как прямую, так и дисперсную составляющую
солнечного излучения. Коэффициент полезного
действия СЭС башенного типа колеблется от
15 до 18 %.
Общая мощность солнечных электростанций
в Калифорнии составляет 553 МВт.
Третью группу составляют маломощные
солнечные электроустановки с параболическими автоориентируемыми по двум осям концентраторами. Степень концентрации солнечного
излучения в таких конструкциях часто превышает 2000, а температура в фокусе 750°С. Установки этого типа являются источниками тепла для двигателя Стирлинга, приводящего во
вращение генератор электроэнергии.
Каждая такая установка является миниэлектростанцией, мощность комплекса увеличивается соединением нескольких установок в
единую сеть.
За последние тридцать лет увидело свет
множество установок данного типа. Основными
задачами разработчиков остаются улучшение
характеристик и уменьшение стоимости оборудования.
На рис. 5 показана установка фирмы «Eurodich», разработанная на плато Альмерия в Испании, которая проходит испытания на нескольких площадках Европы.
Рис. 5. Маломощная солнечная электроустановка с концентратором
сферического типа
73
Последним достижением является установка «Dich-Stirling» с двигателем Стирлинга фирмы «Stirling Energiy Systems» (Феникс, Аризона). Эта солнечная микроэлектростанция мощностью 25 кВт является результатом 25-летних
исследований и поступила в продажу в 2004
году. Общий коэффициент полезного действия
данной установки, то есть соотношение электрической мощности на клеммах генератора
электроэнергии и мощности солнечного излучения, поступающей на поверхность концентратора, составляет 29,4%.
В 2005 году фирма подписала контракт на
строительство солнечной электростанции мощностью до 900 МВт (от 12000 до 36000 установок) с энергетической компанией «San Diego
Gas & Electric» на юге Калифорнии и контракт с
«Southem California Edison» на строительство
солнечной электростанции мощностью 500 МВт
(с перспективой увеличения до 850 МВт) на
площадке в 1850 га в 110 километрах севернее
Лос-Анджелеса.
Существенным недостатком СЭС, описанных выше, является очень низкая эффективность работы при большой доле диффузного
солнечного излучения, так как концентраторы
работают только с прямым. Это обстоятельство
существенно ограничивает территориальную
применимость данной технологии.
Относительно новым направлением в солнечной электроэнергетике являются термоаэродинамические электростанции, получившие
название «солнечные башни», или «каминные
трубы». В энергетических установках данного
типа в электрическую энергию преобразуется
кинетическая энергия искусственно созданного
конвективного потока воздуха. Принцип действия такой установки достаточно прост (рис. 6):
над некоторой площадкой преимущественно
имеющей форму круга, на высоте 2–3 метра над
поверхностью земли устанавливается прозрачное для солнечных лучей покрытие (1). В центре
площадки в покрытии имеется отверстие, соединенное с вертикальной трубой (2) значительной высоты (от 200 метров). Воздух, нагреваемый под покрытием за счет парникового эффекта, поднимается вверх по трубе со значительной
скоростью. В нижней части трубы установлено
ветроколесо крыльчатого типа (3), агрегатированное с мультипликатором и генератором электрической энергии, которое вращается в созданном за счет солнечного излучения конвективном
потоке воздуха, и установка производит электрическую энергию. Таким образом, в рассматриваемом устройстве термодинамические процессы (парниковый эффект и конвекция) совмещены с аэродинамическими и электромеханическими процессами преобразования энергии. Установка может функционировать круглосуточно
за счет тепла, аккумулированного в системе
труб, заполненных водой и размещенных в почве под теплицей.
Электротехнические комплексы и системы управления
№2/2008
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
74
2
3
1
Рис. 6. Схема и общий вид
термоаэродинамической солнечной
электростанции
Экспериментальный прототип (рис. 7) был
построен в местечке Манзанерез в 150 километрах южнее Мадрида в 1982 году при участии
германских специалистов и при финансировании испанской компанией
Union Electrica
Fenoza. Он успешно проработал семь лет.
Технические характеристики установки:
- максимальная электрическая мощность –
50 кВт;
- высота трубы (сталь) – 195 метров;
- диаметр трубы – 10 метров;
- площадь теплицы: 46 000 м2, в том числе:
6000 м2 стеклянного покрытия и 40 000 м2 покрытия из прозрачного пластика.
Однако, элементарный расчет, проведенный
автором с использованием данных производителя, полученных в период экспериментальной
эксплуатации рассматриваемой СЭС, показывает, что общий КПД системы не превышает
0,37%.
С учетом приобретенного опыта в Австралии
организацией EnviroMission ведется строительство более мощной электростанции данного
типа, которое должно быть завершено в
2009 году.
Новости
Mitsubishi поставит оборудование
на Краснодарскую ТЭЦ
Генеральный директор ОАО «Группа Е4»
Петр Безукладников считает, что «это знаменательно, из подобных контрактов на уровне сотрудничества ведущих компаний и закладывается фундамент межгосударственных отношений». Генеральный менеджер Департамента по
Международной операции Силовых Систем
Главного
Управления
Силовых
Систем
Mitsubishi Corporation Хироюки Ивасэ считает,
что «российская экономика и промышленность
развиваются быстрыми темпами, вследствие
electrotech@v-itc.ru
Рис. 7. Экспериментальная СЭС
в Манзанерезе (Испания)
Проектные технические характеристики:
- максимальная выходная электрическая
мощность – 200 МВт;
- высота ж/б трубы – 1000 м;
- диаметр трубы – 38 м;
- площадь под теплицей – 3300 га
(330 000 м2).
Аналогичные проекты имеются в Испании
(строительство начинается в 2008 году) и во
Франции.
Литература
1. Observ’ER. La production d'électricité
d'origine renouvelable dans le monde. Collection
chiffres et statistiques. Neuvième inventaire Edition 2007.
2. Сайт Atomstromfreie WEBSITE. Large-scale
photovoltaic. Режим доступа: http://www.pvresources.com/en/top50pv.php
3. Сайт Outils Solaires. Режим доступа:
http://www.outilssolaires.com/pv/princentraleC.htm
4. Von Backström, T.W. and Gannon, A.J. “Solar chimney turbine characteristics”, Solar Energy,
76 (1-3), 2003. 235-241.
5. Ахмедов Р.Б., И.В. Баум, В.А. Пожарнов,
В.М. Чаховский. Солнечные электрические
станции. Сер. «Гелиоэнергетика» (Итоги науки
и техники). М.: ВИНИТИ, 1986. с. 1-120.
Обзоры
чего растут потребности в электроэнергии». А
его коллега Томоки Йода добавил: «Мы выполним поставку оборудования для Краснодарской
ТЭЦ точно в установленные сроки и сделаем
все, чтобы оборудование работало на строго
установленных параметрах».
После завершения реализации проекта
электрическая мощность Краснодарской ТЭЦ
возрастет с существующих 648 МВт до 1058
МВт, а тепловая мощность станции увеличится
на 220 Гкал, что обеспечит теплоснабжение
около 200 тыс. кв. м жилья.
EnergyLand.info
www.v-itc.ru/electrotech