1.3.1. Термодинамический принцип

Концентрация солнечного излучения на каком-то приемнике позволяет нагреть его до температуры в несколько сот и даже тысяч кельвинов. Так соз­дается высокотемпературный источник. Низкотемпературным источником может служить охлаждаемое устройство или окружающая атмосфера. Таким образом, если рабочее тело, например, газ піл и вода, превращаемая в пар, со­прикасается с горячим источником и нагревается, а затем контактирует с хо­лодным источником и передает ему часть аккумулированной теплоты, то по­является возможность создать тепловой двигатель, конечной целью которого будет превращение энергии солнечного излучения в электрическую энергию.

Установка для превращения солнечной энергии в электроэнергию назы­вается солнечной электрической станцией (СЭС). По конструкции СЭС де­лятся на установки башенного и модульного типов. В СЭС башенного типа вся солнечная радиация, попадающая на отражающие элементы, концентри­руется на одном тепловом приемнике. Модульные системы компонуются из множества элементов, причем каждый содержит в себе и отражатель, и тепло­вой приемник. Все модули соединены между собой.

Рассмотрим башенную СЭС, схема которой изображена на рис, 1.13.

Солнечное излучение падает на зеркальные отражатели (гелиостаты) 1. Они располагаются концентрично или в виде сектора с северной стороны по
отношению к башне 2. На башне 2 размещен центральный тепловой приемник 3, состоящий из панелей, которые сварены из труб.

Тепловой приемник 3 воспринимает солнечное излучение, направляемое на него всеми гелиостатами. По трубам центрального приемника циркулирует рабочее тело, например, вода. Там она нагревается, превращается в пар, кото­рый перегревается до заданной температуры и по паропроводу 4 подается на лопатки паровой турбины 5. Турбина 5 соединена с электрическим генерато­ром б. Таким образом, при вращении турбины 5 генератор 6 вырабатывает электроэ нерги ю.

После турбины 5 пар попадает в конденсатор 7, где охлаждается водой и конденсируется. Конденсат подается насосом 8 в центральный приемник 3.

Для увеличения потока энергии, попадающей на гелиостаты, они снаб­жаются датчиками и электроприводами следящих систем, которые поворачи­вают отражатели вокруг одной или двух осей в течение дня. При одноосной следящей системе поток воспринятой энергии увеличивается на 20-22%, а при двухосной возрастает на 30% по сравнению с потоком энергии, падающим на неподвижный гелиостат.

Соотношение между плотностью потока солнечной энергии на централь­ном теплоприемнике Епр и плотностью потока энергии, падающей на один ге­лиостат Егел, называется коэффициентом концентрации Kj

В башенных СЭС коэффициент концентрации К] меняется от нескольких сот до нескольких тысяч единиц.

Продлить время действия СЭС на несколько часов в день (от 4 до 7) мож­но с помощью теплового аккумулятора (рис, 1,14). В этом случае тепловая схема состоит из двух контуров [9].

Первый контур заполнен термостойким маслом или расплавом солей KNOj + NaN02 + NaNOj. Солнечные лучи, отраженные полем гелиостатов 1. попадают на центральный тегаюприемник 2 и наїревают промежуточный теплоноситель до температур 390-570°С. Нагретый теплоноситель поступает в аккумулятор 3, затем в парогенератор и пароперегреватель 4, а охлажденный— собирается в аккумуляторе 5 и насосом 6 возвращается в центральный теплоприемннк 2.

Рис 1.14. Башенная СЭС с тепловым аккумулятором

Второй контур заполнен водой, которая превращается в пар, проходя че­рез парогенератор — пароперегреватель 4 теплового аккумулятора. Даль­нейшие превращения рабочего тела во втором контуре аналогичны тем, что происходят в паротурбинной установке ТЭЦ, работающей по циклу Ренкина.

Более широкое распространение, чем башенные СЭС, получили системы модульного типа (рис. 1.15). Они отличаются тем, что концентратор солнеч­ной энергии 1 соединен с теплоприемником 2 в единый модуль. Кон­центратор— это параболоцилиндрическая оптическая система, в фокусе ко­торой располагается теплоприемник линейного типа. Коэффициент концен­трации этого модуля достигает 100 единиц.

Рис. 1.15. Схема оптической системы модульной СЭС с параболоцштндрическіш концентратором

В качестве теплоприемника используется металлическая или стеклянная труба с поглощающим покрытием. Иногда одна труба помешается внутри другой, а пространство между ними вакуумируется, чтобы устранить конвек­цию и уменьшить теплопотери.

Отдельные модули соединяются между собой и формируют СЭС требуе­мой мощности. Теплоноситель, нагретый в одном тепло прием нике, поступает во второй и так далее, пока не нагреется до заданной температуры. Затем он перекачивается в общий резервуар. Остальная часть тепловой схемы не отли­чается от тепловых схем башенных СЭС.

К модульному типу СЭС относятся также системы с концентратором в виде параболоида 1 (рис. 1.16). В фокусе параболоида устанавливается двига­тель Стирлинга 2 с внешним нагревом рабочего тела. Параболоид позволяет довести коэффициент концентрации до 2000-3000 единиц.

Рис. 1.16. Схема оптической системы модульной СЭС с параболическим концентратором

Мощность СЭС рассчитывается с учетом климатических условий, а также эффективности оптической системы для сбора солнечной радиации, термоди­намического цикла Ренкина и потерь в турбине и электрогенераторе [10]. Имеем

Р = Е Fcr|0 Т)ПТ|< г|о, т|м їітГігЛси. кВт, (1.23)

где Е — номинальная плотность потока солнечной радиации, кВт/м2; Ес — сум­марная площадь зеркал, м2; Т|0 _ оптический КПД зеркальной системы; Г|П _ КПД приемника солнечной радиации; т]^ _ внутренний относительный КПД турбины; г|м — механический КПД турбины; г|т КПД, учитывающий потери в парогенера-

торе и трубопроводах; тіг_КПД электрогенератора; тіси _ КПД собственных нужд rj( — термический КПД цикла Ренкина.

Гелиостаты и концентраторы. Первое поколение оптических систем из плоских гелиостатов и профилированных концентраторов отличалось относи­тельно небольшими размерами 16-25 м2 и большой массой. Они изготавлива­лись из толстостенных зеркал. Наметилась тенденция к увеличению единич­ной плошади элементов до 100-150 м2. Резко снижается их масса. Разрабо­таны тонкостекольные отражатели на металлической основе, созданы оптические элементы из стальной фольги со слоем серебра на фронтальной поверхности, применены полимерные материалы с напыленным слоем се­ребра. В параболических концентраторах используются быстросменные натя­гивающиеся мембраны.

Оригинальная концентрирующая система предложена в России (рис. 1.17)

[11].

В модуле вместо отражающих поверхностей применены преломляющие устройства в виде множества неподвижных шаровых линз 1 небольшого диа­метра — 30 мм. Линзы отливаются из пластмассы либо из стекла. Оптические фокусы этих линз располагаются на сферических поверхностях. Механизм ориентации с гидроприводом отслеживает перемещение фокальных пятен и совмещаете ними гибкие концы волоконных световодов 2. Противоположные неподвижные концы световодов собраны в жгуты 3. С их помощью концен­трированное излучение передается в теплоприемник 4 типа «труба в трубе». Пространство между трубами вакуум ировано. Концы жгутов вставляются в отверстия внешних труб. Нагретый теплоноситель поступает в сборник.

Теплоприемникн, Эти элементы СЭС работают в тяжелых условиях. Они должны хорошо поглощать падающую на них лучистую энергию, выдер­живать высокие температуры и характеризоваться относительно небольшими тепловыми потерями из-за собственного излучения и конвекции в атмосферу. Для повышения поглощающей способности на поверхность тепло прием ни ков наносятся селективные покрытия.

На башенных СЭС используются центральные полостные, поверхностные и объемные теплоприемникн (рис 1.18).

Полостной теплоприемник (рис. 1,18, а) предназначен для поглощения относительно небольших тепловых потоков 100-200 кВт/м В нем нагрева­ются газы и жидкости с низкой аккумулирующей способностью. Тешюобмен - ный элемент помещается в защитный кожух для уменьшения радиационных потерь.

Поверхности ги е теплоприемникн в виде многогранной призмы из плоских трубчатых панелей (рис. 1.18, б) способны воспринимать значительные тепло­вые потоки до 1,5-2,0 МВт/м2. Служат для нагревания воды и водяного пара, расплавов солей и легкоплавких металлов.

Тепловой поток в объемном теплоприемнике (рис. 1.18, в) также доста­точно велик 1,0—1,5 МВт/м Лучистая энергия попадает на теплоемкую про­ницаемую насадку из проволоки, фольги, вспененной керамики, трансформи­руется во внутреннюю энергию, а затем конвекцией передается рабочему телу в виде специального газа или атмосферного воздуха, которые прокачиваются через нее.

L

а

6

Рис, 1.18. Типы центральных теплоприемникое

Модульные СЭС с параболо цилиндрически ми концентраторами осна­щены тепло прием никам и линейного типа в виде металлических или стеклян­ных труб с селективным покрытием. Высокоэффективные и более дорого­стоящие поглотители выполнены из двух соосно расположенных стеклянных труб с вакуумнрованным пространством между ними.

Центральные приемники могут получать от гелиостатов тепловую мощ­ность 300-1000 МВт и передавать ее теплоносителю с КПД 80-90%.

Теплоносители. Рабочими телами в СЭС служат либо газы, либо вода, превращаемая в пар. В качестве промежуточных теплоносителей в зависимо­сти от уровня температур применяются: минеральное масло (Т= 300°С), син­тетические и силиконовые масла, расплавленные соли тина «хайтек» (53% KNO3 + 40% NaNC>2+ 7% NaNCh), смесь Na + К. Температурный диапазон ис­пользования подобных теплоносителей 300-570°С.

Тепловые аккумуляторы. Тепловые аккумуляторы помогают регулиро­вать выработку электроэнергии на СЭС. Они продлевают работу СЭС после захода солнца на 4-7 часов, поддерживают в рабочем состоянии термостойкие масла, расплавы солей, парогенераторы, стабилизируют режим работы в сол­нечную погоду.

По принципу действия различают пароводяные, масляно-галечные, хи­мические аккумуляторы теплоты, с использованием теплоты фазового пере­хода.

Пароводяной аккумулятор состоит из металлического сосуда и теплооб­менника. По теплообменнику прокачивается горячий теплоноситель из цен­трального тепл о прием ника. Одновременно в сосуд подается холодная вода, которая нагревается, превращается в перефетый пар и поступает в паровую турбину.

Аккумулирующей средой в масля но-галечном аккумуляторе является слой гальки. Через него по трубам подается рабочая жидкость, отводящая за­пасенную теплоту.

Действие химического аккумулятора теплоты основано на осуществлении обратимых реакций оксидов и гидрооксидов металлов

СаО» Са(ОН)2.

При зарядке аккумулятора протекает эндотермическая реакция, а при разряда экзотермическая.

Аккумулировать теплоту можно в устройствах с фазовым переходом. При плавлении или затвердевании вещества поглощается или выделяется теплота

кристаллизации.

В качестве примера приведем реакцию плавления глауберовой соли Na3S04 * ЮН/) + Na2S04 + 10 Н20.

Кроме гидратов солей могут применяться парафины. Очень эффектив­ным поглотителем теплоты является гидрид лития, который плавится при Т=650°С.

Процесс плавления соли протекает в субмикронных порах кристалличе­ской матрицы из окиси магния. Расплав удерживается на развитой поверхно­сти за счет поверхностного натяжения и капиллярных сил.

Тепловые аккумуляторы являются эффективными устройствами с КПД

ДО 90-92%.

Гибридные СЭС. Стабильная выработка электроэнергии в периоды от­сутствия солнечного излучения достигается в гибридных солнечно-топливных электростанциях. В схему такой установки (рис. 1.19) включается резервный котел, работающий на мазуте или природном газе. Он обеспечивает до 30% вырабатываемой электроэнергии за счет промежуточного отбора пара и его перегрева в теплообменнике.

Гибридизация СЭС может базироваться на парогазовом цикле Брайтона - Ренкина(рис. 1.20).

Сжатый и нагревшийся в компрессоре воздух поступает в центральный теплоприемник, где догревается до более высокой температуры и подается в камеру сгорания. При сжигании органического топлива температура воздуха повышается еще больше. Продукты сгорания направляются в газовую тур­бину, соединенную с электрогенератором. Далее выхлопные газы попадают в котел-утилизатор, который вырабатывает перегретый пар для паротурбинной Установки. Расчеты показывают, что КПД этого цикла превышает 43%.

Единичная установленная мощность башенных СЭС колеблется от 5 до 100 МВт, модульных с параболоцилиндрическим концентраторами — в пре­делах 30-80 МВт, а с параболоидными — 5-50 кВт.

газ

Рис. 1.20. Гибридная электростанция с комбинированным циклом Брайтона-Ренкина: 1 — поде гелиостатое; 2 — воздух; 3 — центральный тепяоприемник 4 — башня; 5 — камера сгорания; 6 — газовая турбина; 7 — компрессор;8 — котел-утилизатор; 9, 11 — генераторы; 10 — паровая турбина; 11 — конденсатор; 13 — насос

 

Анализ показывает, что модульные станции оказываются более эффек­тивными при мощности до 50 МВт, а башенные — более 100 МВт.

Коэффициент полезного действия зависит от типа СЭС. Обычно башен­ные СЭС имеют КПД 15-18%, а при использовании парогазового цикла — бо­лее 30%. Модульные СЭС характеризуются КПД в пределах 30-35%.

Большинство из башенных СЭС, основные характеристики которых при­ведены в таблице 1.15, послужили целям отработки тепловых схем и конст­рукций главных технологических систем и к настоящему времени выведены из эксплуатации. Полученный опыт использован при разработке нового поко­ления таких станций (Solar Two в США).СЭС единичной мощностью 30-80 МВт с параболоцшшндрическими концентраторами суммарной установлен­ной мощностью Ру = 354 МВт построены в конце 80-х и начале 90-х годов XX века и успешно действуют в США. Крупнейшая европейская СЭС подобного типа мощностью 50 МВт сооружается на южном побережье острова Крит, где уровень солнечной радиации совпадает с районом Сахары. В ней применена усовершенствованная конструкция гелиостатов и вспомогательная система поддержания в разогретом состоянии рабочего тела, действующая на сжижен­ном газе [14].

Солнечные пруды. В системах с термодинамическим преобразованием олнечноЙ энергии в электрическую иногда применяются необычные пароге - ераторы. Это солнечные пруды (рис. 1.21) [15].

К турбине Рис. 1.21. Схема солнечного пруда

1 Название, год ввода в эксплуатацию	Мощность, МВт	Тепло- / носитель / / Рабочее / тело	§ И *3 ft X р $ | Ег	Площадь / одного / гедно - / стата, / •г / / Сум - / марная / площадь, / тыс. м2	Ё I 53 m	Коэффициент концентрации	Площадь центрального приемника "і1	Тип приемника	1 1 f s I ^ ТС I £	Температура рабочего тела,"С	т і 1 « § Cl It
тепловая	Is ^ в 5 ”■
і	2	з	4	5	&	7	8	. 9	10	11	12	13
SOLAR - 1 США, 1982 г.		10	Пар	Эллипс 1818	41,8 ,^^73,2	91	1750	294	Открытый	0,9	516	34
THEMIS Франция, 1982 г.	9	2,5	Расплав s' coneys' Пар	Сектор 20 1	53,7 у/ 10,8	101,5	675	16	Полостной	0,9	505	28
GAST ФРГ, 1985-1987 гг.		10x2	^Воздух * пар	2000	50 12,0	200	1200	-	2 полостных	-	800/500	38-45
СЭС-5 Украина, 1985 г. Крым		5	Пар	Круг 1600	25,5 у/ 40	80		154	Открытый	0,71	250	16,8
Eurelios Италия. 1981 г.		J	Пар	Сектор 70/112	55,4 6,2	■ 55		16	Полостной		512	24,8
CESA - 1 Испания, 1984 г.		1,2	s'"" Па^	Сектор 300	38 11,4	60		11,6	Полостной	0,87	520	27,7

I	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
CRS Испания, 1981 г.		0,5	Жидкий Пар	Сектор 93	39,8 3,7	43		9,7	Полостной	0,91	530	26
Проект Узбекистан		80x4	Пар	Круг 14000	50	280		1658	Полостной	0,71	450-510	26
PHOEBUS Германия [12]		30	Воздух^-" Пар		160							18,8

Тнп СЭС, год ввода в работу	Мощность, МВт	Площадь коллекторов, тыс. м2	Температура рабочего тела, °С	Термический КПД,%	Коэффициент отражения	Коэффициент поглощения приемники	Коэффициент концентрации
SEGS-T, 1985, США	13,8	82,%	307	31,5	0,94	0,94
SEGS-2, 1985, США	30	165,38	315	20,4
SEGS-3, SEGS-4, 1986-1987, США	30	209	349	30,6	0,96
SEGS-5, 1988, США	30	233,2	349	30,6
SEGS-6, 1989, США	30	188	390	37,5
SEGS-7, 1989, США	30	183,12	390	37,5
SEGS-8, SEGS-9, 1989-1990, США	80	464		39,5	0,97	70
SEGS-10, 1991-1994, США	80
THESEUS" 1996-2000, о. Коит, Греция	50

* SEGS — Californian Solar Electric Generating Systems ” THESEUS — Thermal Solar European power Station [23]

Подготовленный котлован 1, боковые стенки и дно которого герметизи­рованы полимерной пленкой или слоем глины, заливается послойно раство. ром солей MgCb или KNO> Пруд разделен по высоте на 3-4 слоя. Верхний слой имеет наименьшую концентрацию соли — 0-5%, концентрация раствора в придонном слое — 20-25%, Толщина слоев 0,5-1,0 м.

В придонном слое размещается теплоприемник 2, по которому прокачи­вается теплоноситель.

Солнечное излучение, прямое и рассеянное, проникает через верхние прозрачные слои в придонный слой и нагревает его. Одновременно в тепло - приемнике нагревается теплоноситель. Более плотный нижиий слой даже при нагревании не перемешивается с верхними, что устраняет конвективные по­зери.

Температура раствора в солнечном пруде не превышает 90-95°С, поэтому в качестве рабочего тела выбираются низкокипящие жидкости -— аммиак или хладон. Образовавшийся в тенлоприемнике пар поступает в турбину, а кон­денсат перекачивается в теплоприемник.

Подобные солнечные пруды успешно работают в США и Израиле, при­чем Израиль планировал к 2000 г. довести установленную мощность электро­установок на базе солнечных прудов до 2000 МВт.

В Японии экспериментальный солнечный пруд функционировал с ноября по апрель месяц при замерзании верхнего слоя воды. Температура в донной части достигала 70°С.

Исследователи предлагают новую систему предотвращения конвектив­ного перемешивания слоев воды — использовать прозрачный пористый на­полнителю сообщающимися порами. При этом не потребуется создавать слов раствора с различной концентрацией.