Солнечная энергетика 4 (стр. 2 из 10)

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м 2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 ˚С, воздух и другие газы - до 1000 ˚С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 ˚С, жидкометаллические теплоносители - до 800 ˚С.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам ХХ столетия. В Калифорнии в 1994г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов.

Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию.

Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей).

Американские эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например, в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск), выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

2. Классификация солнечных энергетических установок и их особенности

Солнечная энергия универсальна с точки зрения возможностей её использования человеком для своих нужд. Солнечное излучение может быть относительно легко преобразовано в тепловую, механическую и электрическую энергии, а также его используют в химических и биологических процессах. Технологические процессы преобразования и использования солнечного излучения по своей сложности могут быть очень разными. Солнечные энергетические установки очень сильно отличаются друг от друга своими габаритами: от микроминиатюрных источников питания микрокалькуляторов до огромных технических конструкций в башенных СЭС высотой 100 м и весом в сотни тонн.

Существует множество различных технологических схем преобразования солнечного излучения в электрическую энергию на основе широко известных в технике тепловых циклов (Ренкина или Карно), теплоэлектрических и термоэмиссионных процессов.

В связи с выше сказанным первоочередное значение приобретает задача четкой классификации СЭУ, проводимая в целях облегчения поиска путей дальнейшего повышения их эффективности.

СЭУ классифицируют:

1. По виду использования и преобразования солнечного излучения в другие виды энергии.

Солнечное излучение преобразуется в другие виды энергии, используется в химических и биологических процессах. При использовании СЭУ в электроэнергетике и теплоэнергетике их можно разделит на три категории, определяемые видом их применения для определенных потребителей энергии:

· предназначенные для работы в большой ОЭС или просто ЭЭС;

· работающие на локальную сеть;

· предназначенные для энергообеспечения автономного потребителя с разной категорией по надежности энергоснабжения.

В зависимости от этого существенно меняются требования к информационному обеспечению гелиоэнергетических расчетов самой системы энергоснабжения, включающей в себя СЭУ или СЭС. В зависимости от категории использования СЭУ могут появиться требования об обязательном их сочетании с системой аккумуляции энергии любого эффективного вида или с другими видами энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии. Например, это касается работы СЭУ на автономного потребителя, в том числе и повышенной категории надежности, что потребует наличия не только суточного, но и более длительного цикла аккумуляции энергии. В системных больших солнечных энергетических станциях подобные требования обычно отсутствуют, если при этом не появляется необходимость поддержания в рабочем состоянии всего вспомогательного хозяйства СЭУ или в периоды отсутствия солнечного излучения и связи с энергосистемой. Здесь помимо обычных систем аккумуляции энергии могут быть использованы и традиционные энергоустановки на органическом топливе.

2. По месту размещения на Земле.

СЭУ по месту размещения подразделяются на наземные и космические. Системы защиты СЭУ у них будут принципиально разными: в космосе – защита приемной площадки от жесткого космического излучения, разрушающего сами приемные площадки; на Земле – охлаждение СЭУ, от пыли. Учет цикличности, а также заметного случайного характера процесса солнечного излучения на поверхности Земли, может потребовать обязательного сочетания СЭУ с системой аккумуляции энергии в зависимости от категории использования СЭУ.

3. По стационарности.

В данном случае стационарные энергетические установки бывают переносные, передвижные и стационарные, отличающиеся массогабаритными характеристиками и сложностью конструктивного исполнения. Также существенно отличаются друг от друга по надежностным характеристикам.

4. По виду ориентации на Солнце.

С постоянной (неизменной) ориентацией на поверхности Земли и системой слежения за Солнцем, применяемой для максимизации солнечного излучения на приемную площадку. К постоянно ориентированным на Солнце СЭУ относятся энергоустановки бытового назначения, размещенные на крышах строений, на Земле с ориентацией на юг под постоянным углом к горизонту и на специальных конструкциях-каркасах для размещения СЭУ.

5. По технической сложности СЭУ.

СЭУ можно разделить на простейшие и сложные как по техническому циклу, так и по исполнению. К простым относят: нагреватели, подогреватели воздуха, сушилки продуктов с/х, отопительные системы, опреснители воды и т. д.

3. Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1

за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90хС. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.

И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.

В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р-слое полупроводника создается "дырочная" (положительная) проводимость, а в n-слое - электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и "дырок") из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон-"дырка", которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.

Рис.1. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного освещения и возникновение фотоЭДС

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 2):

Рис.2. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

На рис. 3 представлена схема эквивалентного солнечного элемента. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is(

–1). P-n-переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.