В короткое время были построены и запущены в работу СЭС в Испании, Италии, Японии. В том числе Отечественная Крымская СЭС-5, вблизи г. Феодосия мощностью 5 МВт [1] и американская станция Солар-1[2] в Альмерии. Все эти станции были термодинамического типа, работающие по паротурбинному циклу Ренкина. Кэффициент полезного действия (степень использования энергии солнца) таких электростанций как правило не превышал 15 %. И тем не менее во всем мире были развернуты крупные проекты солнечных электростанций, установленной мощностью 30–400 МВт, в том числе по гибридным технологическим схемам. Крупнейшей в мире башенной СЭС термодинамического типа является электростанция Ivanpah Solar Electric Generating System , установленной мощностью 392 МВт (рис. 1) [3].
В некоторых схемах термодинамических СЭС, как например в СЭС фирмы «ЛУЗ», недостаточность или отсутствие солнечного излучения компенсировались сжиганием органического топлива в обычных котлоагрегатах [4].
Параллельно активизировались работы по прямому преобразованию солнечного излучения в электричество путем использования явления фотоэлектрического эффекта в кристаллических полупроводниках. Коэффициент полезного действия первых солнечных фотоэлементов (ФЭП) составлял около 4 %, что было намного меньше КПД первых солнечных установок термодинамического типа.
Однако неоспоримые преимущества ФЭП стимулировали дальнейшие работы по их совершенствованию. Каковы же эти преимущества? Это прежде всего минимальное количество преобразовавшей энергии: солнечное излучение → электроэнергия, которое получило название прямого преобразования солнечной энергии в электричество. Второе преимущество – простота конструкции СЭС, так как изготовленные на заводе солнечные батареи неподвижно закрепляются на легком решетчатом основании, ориентированные в плоскости максимального улавливания солнечной энергии. Третье преимущество – возможность создания автоматизированной электростанции с полным отсутствием эксплуатационного персонала, когда периодическое обслуживание оборудования технологической схемы осуществляется сервисной компанией по годовому графику в отведенное для этого периоды времени. Такого типа электростанция мощностью 100 МВт эксплуатируется в с.Охотниково Сакского района в Крыму (рис. 2).
Рис. 1. Самая крупная СЭС башенного типа Ivanpah Solar Electric Generating System в Южной Калифорнии (США)
Рис. 2. Солнечная электростанция в с. Охотниково
И тем не менее, низкий КПД солнечных батарей требует отведения больших земельных участков над СЭС, так как объем выработки электроэнергии определяется выражением:
ЭСЭС = J0∙F∙η∙λ∙8760 (1)
где ЭСЭС – объем выработки электроэнергии, кВт∙ч;
J0 – инсоляция в точке строительства СЭС, кВт∙м2;
F – площадь, занимаемая СЭС, м2;
η – замыкающий КПД технологического цикла СЭС;
λ – вероятность, что в расчетное время будет присутствовать солнечное излучение.
При этом большие площади, занимаемые солнечными электростанциями, указываются противниками новых технологий как один из важнейших отрицательных факторов солнечной энергетики.
Таким образом, повышение КПД является непременным условием сокращения площади земель, занимаемых солнечными электростанциями.
Так каковы же перспективы повышения КПД солнечных электростанций фотовольтаического типа? В настоящее время в открытой печати сообщается о следующих отечественных достижениях (табл. 1).
Таким образом, для промышленных солнечных электростанций на 2015 год могут быть использованы солнечные батареи с КПД солнечного преобразователя 10–12 %, что по замыкающему КПД (с учетом плотности застройки) ηСЭС ≈ 4–6 %.
В тоже время сторонники термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую обратились к термодинамическому циклу Стирлинга, который значительно эффективней широко применяемых циклов Отто, Дизеля, Ренкина. В солнечной установке на базе двигателя Стирлинга преобразование энергий удлиняется по цепочке: тепловая энергия → механическая энергия → электрическая энергия.
Однако термодинамический КПД цикла теоретически довольно высок и при нагреве горячего поршня Стирлинга до теоретически возможного для солнечной установки Тнагр = 3000 К при температуре окружающего воздуха Тхол = 300 К составляет
. (2)
Именно высокий теоретический КПД цикла привлекает исследователей и созданию солнечных установок с двигателем Стирлинга.
На сегодня различными фирмами создан ряд двигателей Стирлинга на жидком и газообразном топливе различных мощностей (табл. 2) [8].
Однако пока отсутствуют материалы, из которых можно изготовить горячий поршень Стирлинга, работающие при температуре 3000 К.
В последнее время большой интерес к солнечным установка на основе двигателей Стирлинга проявили и русские изобретатели. Наиболее перспективной установкой можно назвать солнечную установку со свободно поршневым двигателем Стирлинга и линейным генератором И. Белецкого [9].
Таблица 1
Основные виды солнечных установок
|
Тип ФЭП |
Наличие концентраторов |
КПД, % |
Состояние |
стоимость руб/Вт |
Источник |
|
|
Лабораторные образцы |
Промышленное производство |
|||||
|
Кремниевые |
– |
10–12 |
– |
г. Рязань РЗМКП |
140 |
[5] |
|
Арсенид галлия |
– |
28 |
– |
г. Краснодар ОАО «Сатурн» |
Нет данных |
[6] |
|
Гетероэлементы |
– |
54 |
г. Дубна НЦеПИ ОИЯИ |
– |
50 |
[7] |
Таблица 2
Некоторые характеристики двигателей Стерлинга
|
Фирма |
Марка |
Мощность, кВт |
Эффективный КПД, % |
|
Philips |
4-S-1210 |
265 |
30 |
|
STM Inc |
STM-4 |
52 |
45 |
|
Daimler Benz |
KS15D |
15 |
37,1 |
|
MTI |
4-95 |
52 |
41 |
Рис. 3. «Солнечные фермы» компаний Sandia National Laboratories и Stirling Energy Systems
Американская национальная лаборатория Сандия (Sandia National Laboratories), специализирующийся на энергетике, объединила свои усилия с американской компанией Stirling Energy Systems для строительства солнечных установок, основанных на двигателях Стирлинга (рис. 3).
Шесть солнечных генераторов образуют электростанцию с выходной электрической мощностью 150 киловатт (в дневные часы, конечно). Солнечный свет концентрируется на двигателях с помощью зеркал, каждое из которых построено из 82 отдельных секций. Каждая установка работает автоматически. Без вмешательства оператора или даже присутствия человека. Она запускается каждое утро на рассвете и работает в течение дня, отслеживая солнце и переходя «ко сну» на закате. Параметры системы могут быть проверены и изменены через Интернет.
Полный КПД, рассчитанный от солнечного света и до электричества в выходных проводах, составляет 30 %, что немного выше, чем у обычных фотоэлектрических солнечных батарей. Стоимость каждой установки – приблизительно $150 тысяч. При серийном выпуске цена на эти стирлинги может быть снижена более чем втрое, что доведёт стоимость электричества, произведённого таким способом, до уровня классических топливных технологий.
Однако солнечный Стирлинг это не обязательно нечто громадное, как на фото выше, Стирлинги тем и уникальны, что их можно делать любых размеров и под любую тепловую нагрузку. Это чрезвычайно важно для индивидуальных электростанций. Так в арабских странах большой потребностью становятся автономные солнечные электроустановки мощностью 20–40 кВт, обеспечивающие технологическую нагрузку и кондиционирование помещений индивидуального предпринимателя работающего в пустынной зоне с числом дней солнечного сияния до 350 в году! В этих условиях применение двигателя Стирлинга с высоким КПД преобразования солнечной энергии позволяет создать солнечный концентратор приемлемых габаритов и в целом такая установка способна обеспечить надёжное электроснабжение потребителя.
Выводы
1. Работы по вовлечению солнечной энергии в промышленную электроэнергетику успешно продолжаются в разных странах уже около пятидесяти лет.
2. Наиболее успешные проекты относятся к промышленным СЭС фотовольтаического типа.
3. В последнее время значительный объём научных исследований направлены на создание солнечных электроустановок на базе двигателя Стирлинга, как имеющие более высокий КПД преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.