Энергия солнца давно заняла умы ученых, крупных компаний и корпораций. С началом 21 века огромными темпами пошло внедрение альтернативной энергетики с последующей заменой таких источников, как газ, уголь, мазут и дрова. Основными видами альтернативной энергии являются: ветроэнергетика, гидроэнергетика, биоэнергетика и энергия солнца. Оставим три предыдущих и остановимся на самом популярном — солнечной электростанции (СЭС). Все слышали о солнечных панелях и удобстве их приобретения с последующей установкой где угодно, даже на крыше своего дома или в огороде. Они в связи с большим спросом и удешевлением производства стали доступны каждому, но у них есть ряд недостатков, из-за которых появились другие типы солнечных электростанций. К этим недостаткам относятся:
- Всё ещё большая стоимость производства, монтажа и дальнейшего обслуживания м² солнечной панели. Что делает строительство электростанций большой мощности довольно дорогим, но строительство небольших и малых мощностей, делает их более рентабельными.
- Следующей проблемой является место монтажа и условия окружающей среды. Одной из причин быстрого развития частный СЭС с малой мощностью (до 40 кВт) является возможность полного монтажа или монтажа большей части панелей на крышах домов и частных построек. Монтаж более крупных мощностей требует большой территории и участков земли, аренда или покупка которых с относительно ровной площадью (поля, равнины) требует немалых денежных вложений, а установка на территориях, непригодных для жизни человека (горная или скалистая местность и пустыня), может стать очень дорогой в обслуживании, эксплуатации и ремонте. Однако даже этих территорий у некоторых государств очень мало, что делает довольно сложным строительство СЭС с большой мощностью. В течении последних трёх лет многие государства всё же решили и начали развивать установку больших площадей панелей на воде при помощи большого количества понтонов, соединённых в большой плот, но цена такого строительства всё равно остаётся высокой, хотя имеет ряд преимуществ перед сушей. К ним относятся быстрая сборка и демонтаж, удобство горизонтального поворота за расположением солнца, удобное обслуживание, а также сдерживает большое испарение воды с озер и рек, что в совокупности с основной задачей обеспечивает стабильную работу ГРЭС, при установке сверху по течению над плотинами.
- Как бы это глупо ни звучало, но из-за систем аккумулирования электроэнергии в АКБ, которые всё ещё недолговечны, ненадёжны и часто выходят из строя, а именно из-за наличия внутри химически опасных для экологии элементов, должны быть утилизированы по особым правилам и на специальных предприятиях, что не делает этот тип СЭС полностью экологически чистым. Также требует установки дополнительного электрооборудования (систем балансировки напряжения и защиты от разряда-перезаряда), что повышает общую стоимость и затраты на обслуживание.
Хоть в мире уже построены и функционируют 4 самых мощных станций и несколько по меньше в виде так называемых парков:
- "Венбак солар парк"(площадь 37 км², мощность 1600 МВт),
- "Шагтист Хала"(50 км², 2000МВт),
- "Хайнань солар парк"(2200 МВт) и
- "Бхадла солар парк"(57 км², 2245 МВт),
также есть парки, расположенные в США, Саудовской Аравии и других странах. Но всё равно из-за выше указанных причин возникли другие типы солнечных электростанций, имеющие другой принцип работы — аккумулирование энергии тепла вместо электроэнергии. Принцип работы некоторых типов установок частично схож с тепловыми панелями коллекторов для нагрева отопления и горячего водоснабжения, а основным источником тепла является фокусировка солнечных лучей в одном месте, с последующим получением нагрева вплоть до 1000 °С или более низких параметров, пригодных для вращения тепловых турбин. Далее рассмотрим их основные типы.
Аэростатные СЭС
Самый малоизученный и один из менее эффективных типов станций, задача которого получать доступ к солнечному свету круглосуточно и без перебоев, поднимаясь выше облаков или в стратосферу, они делится на 2 вида:
- Аэростатные. Имеют форму каплевидного или круглого воздушного шара, с прикреплённым оборудованием и прочным шнуром, регулирующим высоту и фиксирующим в одном месте. Они в свою очередь делятся также на 2 типа: со встроенными солнечными панелями дающими КПД до 40%, преобразующими свет в электричество, а также существует вариант с внешним слоем из селективных материалов, способных поглощать солнечные лучи при этом разогреваясь до 200 °С, где внутри баллона находится вода, которая разогревается до состояния пара, по специальным термотрубкам попадающего внутрь паровой турбины, после охлаждающегося и собирающегося в конденсаторе, откуда с помощью насоса снова он в виде воды подаётся в баллон. Выработанная электроэнергия может направляться во встроенные аккумуляторы или через систему дистанционной передачи электроэнергии (радио-или свч-излучением).
- В виде беспилотного дирижабля, покрытого сверху фотоэлектрическими модулями и управляемого удалённо. Он может не только аккумулировать в себе электроэнергию в АКБ на борту, но и выполнять роль автономной мобильной электростанции, доставляя её в сложно доступные места, а также дополнительно выступать грузовым судном, перевозящим на борту полезный груз.
В настоящее время разрабатываются модели дирижаблей, способных подниматься в стратосферу, где находится неограниченный ресурс солнечных лучей.
Электростанция солнечно-вакуумного типа или солнечная восходящая башня (Solar apdraft tower)
На сегодняшний день это самый экологически чистый и безопасный тип солнечных станций, запатентованный во Франции в 1929 году. Но только в 1982 году, в 150 км от Мадрида была впервые построена экспериментальная станция такого типа. Принцип действия основан на движении естественного потока воздуха, возникающего благодаря перепаду температур (воздух у поверхности земли разогревается и устремляется вверх) и состоит из 3 основных частей: теплицы или оранжереи выполненной в форме окружности из плёнки и прозрачных листов стекла или пластика, высокой трубы в центре и ветрогенераторов, расположенных в основании этой трубы. Вырабатываемая мощность электроэнергии на прямую зависит от диаметра теплицы и высоты самой трубы, чем они шире и выше, тем больше тяга и быстрей поток воздуха проходящего через турбогенераторы. Мадридская станция была в диаметре 244 м, труба была 195 метров в высоту, а максимально развитая мощность была не более 50 кВт.
Этот вид станций хоть и считается слабым с маленьким рабочим КПД, но имеет гибридную систему, выступая в качестве основного источника питания для теплиц, делая выращивание овощей и фруктов гораздо дешевле, а турбины могут работать после захода солнца ещё несколько часов со средней мощностью, из-за того что земля прогревается очень сильно и долго отдаёт тепло. Ещё она работает как ветряная ловушка для влаги, что хорошо подходит для строительства возле большого скопления воды (озеро, река, море), а так же как большой воздушный фильтр, всасывающий загрязнённый воздух и выбрасывающий его на большую высоту через трубу. На сегодняшний день только в 2010 году Китай смог построить новую СЭС такого типа, мощностью 200 кВт и площадью 277 гектаров. Кроме малого КПД, у таких станций есть ещё недостатки, связанные с конструктивными особенностями (высота и вес трубы), если появятся технологии способные их решить, то они будут востребованными.
Параболоцилиндрические концентрационные солнечные электростанции или солнечные концентраторы
Это станции нагревательного типа, имеющего полукруглую изогнутую форму (параболу) с зеркальным покрытием и закреплённой по центру трубкой тёмного цвета, для лучшего «впитывания» солнечных лучей, внутри которой проходит теплоноситель в виде жидкости (вода, масло), газа или вакуума для переноса тепла, разогреваясь до 400 °С и превращаясь в пар или разогретый газ для вращения генераторных турбин.
Вся эта конструкция располагается в направлении север-юг и закреплена на поворотном устройстве — "трекере", поворачивающем параболу по движению солнца. Так как эти станции являются нагревателями, то в их устройство входят резервуары с накопленной тепловой энергией, способной храниться долгое время. Стены баков покрыты толстым слоем теплоизоляции, а внутри находится смесь из расплавленной соли или расположенные в определённом структурном порядке (в виде ячеек с воздушной прослойкой) тугоплавкие камни, которые очень хорошо проводят и аккумулируют тепло. Данная конструкция является довольно дрогой и слабоокупаемой, но уже появился новый, более дешёвый в производстве вид — шарообразный.
Он имеет форму трубы (цилиндра) или шара, в которой есть 2 полости с газом разного давления, тремя слоями пленки: прозрачной снаружи и в верхней полости, непрозрачной в нижней полости и зеркальной посередине, а также расположенным сверху тепловым ресивером, на который фиксируются солнечные лучи нагревая его.
Тарельчатые (дисковые) СЭС
Данный вид электростанций представляет собой большие (несколько метров в диаметре) диски или параболические зеркала, напоминающие по форме спутниковую тарелку, с расположенным в центре на мачте ресивером или "водородным двигателем Стирлинга", преобразовывающим солнечное тепло сразу в электричество. Сама тарелка закреплена на специально сконструированных опорах с трекером, позволяющим вращаться в 2 плоскостях в след за движением солнца.
В 2017 году в Маунт-Абу (Раджастхан, Индия) запатентовали и построили СЭС с неподвижным ресивером, совмещающем в себе роль теплового аккумулятора с вогнутой вращающейся тарелкой. Ресивером является толстая чугунная болванка с полостью в виде конуса, сужающейся внутрь, змеевика с протекающим внутри теплоносителем, слоя утеплителя с кожухом и двустворчатых термоворот, закрывающих отверстие после захода солнца. Принцип действия заключается в том, что тарелка целый световой день при помощи трекера фокусирует в полости солнечный луч (зайчик), который нагревает болванку, а змеевик отбирает теплоту для вращения паровой турбины. Когда солнце садится, духстворчатые ворота герметично закрывают полость, не давая остывать чугуну. Прогревшись до 450 С°, он может держать тепло до самого утра, очень медленно остывая, а приходом нового солнечного дня процесс повторяется.
В Сербии была построена ещё одна разновидность установки тарельчатого типа, где вместо зеркал используют линзы из специального материала, расположенные на выпуклой стороне тарелки, которые фокусируют луч на установленном в центре ресивере. Температура разогрева может достигать 950 °С, которая передаётся в расположенные неподалёку тепловые аккумуляторы.
СЭС башенного типа
Она состоит из башни по середине с резервуаром для нагрева теплоносителя (вода, масло, расплавленная соль в жидком виде) установленном на верху, а вокруг расположено большое количество зеркал с трекером, задача которых следить за движением солнца, ловить солнечные лучи и фокусировать их на вершине башни. От резервуара отходят две трубы (подача и обратка), по одной из них подаётся при помощи насосов остывшая смесь, а по второй отбирается нагретая, поступая в тепловые резервуары-аккумуляторы для сохранения тепла после захода солнца и продолжения работы.
Комбинированные СЭС
К комбинированным относятся различные типы СЭС совмещенные в одном месте и вырабатывающие не только электричество, но и тепло для работы отопления и горячего водоснабжения.
Кобинированные СЭС
Гибридные СЭС
В 2019 Китай построил новую электростанцию, совместившую в себе частично устройство башенного и тарелчатого типов с неподвижным ресивером. В центре находится конструкция, в верху которой расположено вогнутое внутрь зеркало в виде ячеек, теплоаккумулирующий резервуар, расположенный внизу и выполняющий функцию ресивера, а вокруг расположены множества зеркал по окружности. Зеркала следят за солнцем, ловят луч и фокусируют на вогнутом внутрь зеркале, собирая их внизу на ресивере, нагревая его до 900 С°. После захода солнца ресивер превращается в теплоаккумулятор, круглосуточно отдавая тепло на паровые турбины через змеевик, обмотанный вокруг резервуара с расплавленной солью.
В разработке
Швейцария представила проект гибридной СЭС схожей по принципу с построенной в Китае, но с двумя конструктивными отличиями.
Первое заключается в расположении резервуара, весь его корпус закопан в землю и окружен толстой изоляцией, а земля расположенная вокруг также является дополнительным слоем. Данный принцип сводит тепловые потери до 10% в год, в случае полной герметизации. То есть нагревшись до 1000 °С, данный аккумулятор остынет до 100 °С приблизительно через 10 лет.
Также изменения коснулись расположения зеркал, улавливающих и направляющих солнечные лучи на выпуклую тарелку с линзами, которые фокусируют лучи в центре на ресивере. Зеркала расположены сверху над линзой в виде лент с вращающимся стержнем по середине, который поворачивает их так, чтобы отражать солнечные лучи внунтрь, на поверхность линзы. Данный проект с теоретической точки зрения очень перспективный, но стоит очень дорого.