Принципиально солнечные электростанции (СЭС) могут быть двух типов: термодинамические и фотоэлектрические. Термодинамиче­ские СЭС основаны на нагревании теплоносителя солнечным излучени­ем с помощью специальных оптических систем с дальнейшим преобра­зованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую.

Фотоэлектрические станции используют эффект прямого преобра­зования солнечного излучения в электроэнергию, открытый в 1839 году французским физиком Беккерелем. Фотоэлементы в большинстве слу­чаев представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды. При поглощении света полупроводниковой структурой энергия фотонов передается электронам материала, что вызывает появление свободных носителей заряда. Носители заряда создают потенциальный градиент в области р-n перехода, под воздействием которого возникает электриче­ский ток через электроприёмники. Типичная величина разности потен­циалов - 0,5 В, плотность фототока - 200 А/м при удельной мощности солнечного излучения 1 кВт/м.

Концепция термодинамических СЭС была разработана в 50-х го­дах прошлого века. Практическая реализация таких электростанций по­лучила распространение в 70-80 годах.

Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию теп­лоносителя может быть осуществлено по трём принципам: применение рассредоточенных коллекторов, использование системы с центральной солнечной башней, построение солнечного коллектора с центральной трубой.

Солнечные электростанции с рассредоточенными коллекторами имеют на сегодняшний день наибольшее распространение. Преобразо­вание солнечного излучения в тепловую энергию теплоносителя осуще­ствляется множеством сравнительно небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо ориентируется на солнце. Концентраторы имеют зеркальную отражательную поверхность парабо­лической формы. В фокусе концентраторов устанавливается приемное устройство, в котором солнечная энергия передаётся жидкости - теплоносителю. Нагретая жидкость от всех коллекторов консолидиру­ется, и ее тепловая энергия используется для получения механической энергии в соответствующих тепловых двигателях.

В качестве теплоносителя может использоваться вода, которая под воздействием концентрированного солнечного излучения преобра­зуется в пар, используемый в паровой турбине. Часто теплоносителями в солнечном контуре являются различные химические вещества с высо­кой теплоемкостью и температурой кипения (например, натрий, диссо­циированный аммиак, углеводородный оксид дифениля и др.). В по­следнем случае в состав СЭС входит теплообменник, предназначенный для получения водяного пара во вторичном контуре. Далее пар высоко­го давления поступает на лопатки турбины, которая вращает турбогене­ратор. Использованный пар после турбины концентрируется и возвра­щается в энергетический блок, где вода вновь преобразуется в пар.

В течение летних месяцев СЭС, построенная южнее 45о северной широты, может работать по 10-12 часов в день с номинальной мощно­стью. Однако темное время суток и сезонные колебания продолжитель­ности светового дня определяют необходимость дублирующих энерге­тических установок на органическом топливе. Часто, для согласования мощностей СЭС и потребителей электроэнергии, в состав станции вво­дят накопители тепловой энергии, позволяющие эффективно покрывать энергопотребление в часы максимальных нагрузок.

СЭС с параболическими зеркалами на сегодня представляют са­мый распространенный тип электростанций, мощность которых дости­гает 80 МВт с ближайшей перспективой строительства станций на мощности 160 и 320 МВт.

В солнечных электростанциях башенного типа оптическая систе­ма представляет собой комплекс однотипных, автономно ориентируе­мых зеркал-гелиостатов. Приемник концентрированного солнечного из­лучения устанавливается на башне. Дальнейшие преобразования тепло­вой энергии в электрическую осуществляются аналогично энергопреоб­разованию на тепловых электростанциях.

В эксплуатационно-техническом плане СЭС башенного типа ме­нее зрелы, чем станции с рассредоточенными коллекторами. Однако в течение последних двадцати лет были построены экспериментальные станции во многих странах: США, Японии, Испании, Италии, Франции и др. Проводятся исследования процессов энергопреобразования во всех элементах СЭС, в том числе и перспективных типов тепловых машин, таких как двигатели Стерлинга, Брайтона.

Разновидностью СЭС термодинамического типа является элек­тростанция в виде «солнечной трубы», проект которой был разработан в начале 80-х годов XX века. Идея такой электростанции состоит в нагре­вании большого объема воздуха, находящегося под солнечным коллек­тором большой площади. Нагретый воздух поднимается и засасывается в трубу, где создается устойчивый воздушный поток, вращающий аэро­генератор.

Для получения приемлемых технико-экономических характери­стик такой СЭС «солнечная труба» должна быть очень больших разме­ров. Так, опытный образец станции с номинальной мощностью 50 кВт, построенный и успешно проработавший 7 лет в Испании, имел диаметр крыши-коллектора 240 м и высоту трубы 197 м.

Следует отметить, что подобные СЭС хорошо сочетаются с сель­скохозяйственным производством - например с теплицами, что позво­ляет повышать их экономические показатели.

Основными путями совершенствования термодинамических СЭС сегодня являются:

- увеличение единичной мощности станций;

- улучшение их экологических характеристик, достигаемых пу­тем замены дублирующих ТЭС накопителями тепловой энергии;

- повышение энергоэффективности основных элементов солнеч­ных электростанций, что в конечном итоге определяет снижение стои­мости производимой ими электроэнергии.

В целом СЭС термодинамического типа целесообразны для при­менения в «большой» системной энергетике. Такие станции производят достаточно дешевую электроэнергию (8...10 центов за кВтч), сопоста­вимую по цене с электроэнергией экологически чистых ТЭС.

Фотоэлектрическая станция, кроме собственно фотопреобразова­теля - солнечной панели, содержит аккумуляторную батарею с заряд­ным устройством, инвертор для преобразования постоянного напряже­ния в переменное стандартной частоты и другие вспомогательные эле­менты. Основные элементы фотоэлектрической системы показаны на рис. 59 [23].

Рис. 59. Структурная схема фотоэлектростанции: 1 - солнечные панели; 2 - диоды; 3 - контроллер пиковой мощности; 4 - контроллер зарядного то­ка; 5 - ключ; 6 - автономный инвертор; 7 - зарядное устройство; 8 - аккумуляторная батарея; 9 - нагрузка

Солнечные панели 1 выдают электроэнергию в соответствии с ин­тенсивностью солнечного освещения. Контроллер 3 обеспечивает ре­жим генерирования максимума мощности для текущих климатических условий, коммутирующее устройство 5 обеспечивает подключение вы­хода панелей к инвертору 6, питающему нагрузки переменного тока 9. Избыточная мощность через зарядное устройство 7 аккумулируется в аккумуляторной батарее 8. При отсутствии солнечного света нагрузка питается от аккумулятора. Диод в цепи аккумуляторной батареи защи­щает ее от избыточного заряда, а диоды в цепи солнечных панелей не позволяют аккумулятору разряжаться на панель при отсутствии осве­щения.

Собственно солнечные панели представляют собой группы из не­скольких фотоэлектрических модулей, соединенных последовательно­параллельно для получения требуемых мощности и напряжения. Мо­дуль, в свою очередь, объединяет несколько солнечных ячеек - фото­элементов. Обычно мощность ячейки около 1 Вт, размер - несколько квадратных миллиметров.

Большинство фотоэлементов представляет собой кремниевые по­лупроводниковые фотодиоды. При облучении полупроводниковой структуры внешним источником света, энергия полученных фотонов передается электронам, что вызывает появление свободных носителей электрического заряда, разделенных p-n переходом. Носители заряда: электроны и дырки создают потенциальный градиент в области перехо­да и создают ток при наличии внешней электрической цепи.

Энергетические характеристики фотоэлементов, главным обра­зом, определяются следующими факторами: интенсивностью солнечно­го освещения, величиной нагрузки, рабочей температурой.

Влияние интенсивности солнечного освещения на вид вольт­амперной характеристики солнечного модуля иллюстрируется кривыми, показанными на рис. 60.

Рис. 60. Вольт-амперные характери­стики модуля при различной интен­сивности солнечного освещения

При снижении интенсивности солнечного излучения вольт­амперная характеристика фотоэлемента сдвигается вниз, что определяет значительное снижение тока короткого замыкания. Напряжение холо­стого хода при этом уменьшается незначительно.

Величиной, оказывающей влияние на интенсивность облучения фотоэлектрической панели, является угол падения солнечных лучей на ее поверхность. Если обозначить через Q угол падения лучей, отложен­ный от нормали приемной поверхности панели, то зависимость тока на­грузки, вызываемого солнечной батареей, от величины Q имеет коси­нусоидальный характер I = Io-cosQ, где Io - максимальный ток панели, облучаемой перпендикулярно падающими световыми лучами. Указан­ная зависимость, называемая косинусом Kelly, дает удовлетворитель­ный результат для углов Q в диапазоне от 0 до 50о. С дальнейшим уве­личением Q выходные параметры фотопреобразователя заметно откло­няются от косинусоидальной зависимости и при Q = 85о ячейка прекра­щает генерировать электроэнергию.

Следует отметить, что коэффициент полезного действия фотопреобра­зователя мало зависит от интенсивности солнечной радиации в рабочем диапазоне. Данная зависимость представлена графически на рис. 61. По

Рис. 61. Зависимость эффективно­сти фотопреобразования от интен­сивности солнечного освещения

графику видно, что в диапазоне изменения интенсивности солнечного излучения 800... 1000 Вт/м эффективность фотопреобразования меня­ется незначительно [23]. Следовательно, мощность фото электрического модуля в облачный день снижается по сравнению с солнечным только из-за меньшей солнечной энергии, падающей на приемную поверх­ность фотопреобразователя. Обычно, при небольшой облачности, сол­нечная панель может выдавать до 80 % своей максимальной мощности. В пасмурную погоду эта величина снижается до 30 %.

Для солнечных панелей большой площади, состоящих из множе­ства последовательно-параллельно соединенных ячеек, следует учиты­вать теневой эффект, возникающий при частичном затемнении панели.

Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она из ис­точника мощности превращается в потребителя. Из-за последователь­ной связи с освещенными ячейками в цепи протекает ток, разогреваю­щий затененную ячейку мощностью потерь, выделяющейся на ее внут­реннем сопротивлении.

Таким образом, происходит снижение электрической мощности, снимаемой с панели.

Для минимизации отрицательного влияния теневого эффекта на энергетику солнечной панели последовательную цепь фотоэлектриче­ских модулей делят с помощью обходных диодов (рис. 62) на несколько коротких участков.

+

Следовательно, генерируемая модулем мощность увеличи­вается при более низкой тем­пературе. Однако максимуму мощности при различных температурах соответствуют различные напряжения. Для устранения этого недостатка фотоэлектростанция должна снабжаться регулятором на­пряжения. Величина нагрузки солнечной батареи в значительной степе­ни влияет на величину снимаемой с нее мощности. Рабочая точка фото-

электрической панели может быть определена как точка пересечения ее вольт-амперной характеристики с вольт-амперной характеристикой на­грузки. Точно также может быть определена рабочая точка на пересече­нии энергетических характеристик фотопреобразователя и нагрузки. Вид рабочих характеристик системы показан на рис. 64. Очевидно, что максимальную мощность можно снять с солнечной батареи на нагрузку с сопротивлением R2.

Рис. 64. Вольт-амперные и энергетические характеристики
фотоэлектрических систем: R1, R2, R3 - сопротивления нагрузок

Солнечные элементы на основе кремния имеют КПД 12...15 %. КПД лабораторных образцов достигает 23 % [5]. Мировое производство солнечных элементов превышает 50 МВт в год и увеличивается ежегод­но на 30 % [70].

Каскадное соединение модульных фотопреобразователей позво­ляет построить фотоэлектрические станции (ФЭС) на мощности до со­тен кВт. Общая площадь солнечной панели, требуемой для получения необходимой мощности энергоустановки определяется исходя из при­веденных выше значений КПД фотопреобразования и удельного уровня электрической освещенности поверхности солнечной батареи, которая зависит от времени суток, широты местности, метеоусловий, располо­жения поверхности фотопреобразователя относительно солнечного из­лучения и др.

Исходными данными для определения экономической эффектив­ности использования солнечных электростанций (СЭС) являются:

- среднемесячная дневная энергетическая освещенность Е (кВт/м2);

- средние годовые суммы суммарной радиации на горизонталь-

2

ную поверхность Егод, кВт ч/м ;

- среднемесячные суммы суммарной радиации на горизонтальную поверхность Емес, кВтч/м.

Технически приемлемый уровень солнечной радиации в на­стоящее время может быть определен из выражения:

Е > 0,2 кВт/м2.

Основу любой СЭС составляют фотоэлектрические модули, сред­няя удельная стоимость которых составляет 100.. .140 руб/Вт [8].

Для производства электрической энергии переменного тока стан­дартных параметров, кроме собственно фотоэлектрического преобразо­вателя, необходим полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения, накопитель электроэнергии - аккумуляторная батарея, согласующие устройства, коммутационная аппаратура и др. Удель­ная стоимость полнокомплектной СЭС соответственно возрастает до Куст. уд = 240000.300000 руб/кВт установленной мощности.

Полная стоимость комплектного оборудования СЭС определяется из выражения:

К уст К уст. уд РСЭС.

К капитальным затратам на СЭС следует также отнести стоимость проектных К пр и строительных К стр работ по определению месторас­положения и установки станции на местности.

Для определения требуемой мощности фотопреобразователей це­лесообразно использовать данные не о полной установленной мощности потребителей электроэнергии объекта электроснабжения Р, а о средне­суточном потреблении электроэнергии W.

Эксплуатация автономной ФЭС в режиме многолетней непрерыв­ной работы предполагает отсутствие периодической подзарядки АБ от внешнего источника. В этом случае солнечная батарея - единственный источник энергии в системе, который при минимуме ее пиковой мощ­ности должен полностью обеспечить электроэнергией автономный объ­ект.

Для определения мощности СЭС необходимо рассчитать общее количество электроэнергии, которое может выработать один солнечный модуль за расчетный промежуток времени. Для расчета потребуется значение солнечной радиации, которое берется в период работы стан­ции, когда солнечная радиация минимальна Емес. В случае круглогодич­ного использования - это декабрь.

Определив значение солнечной радиации за интересующий нас период и разделив его на 1000, получим так называемое количество пи­кочасов, т. е., условное время, в течение которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м.

Модуль мощностью Рм в течение выбранного периода выработает следующее количество энергии:

kP м E О —, кВтч

1000

2

где Е - значение инсоляции за выбранный период, кВтч/м ; к - коэф­фициент, учитывающий поправку на потерю мощности солнечных эле­ментов при нагреве на солнце, а также наклонное падение лучей на по­верхность модулей в течение дня. Величина к принимается равной 0,5 летом и 0,7 в зимний период. Разница в его значении зимой и летом обусловлена меньшим нагревом элементов в зимний период.

Полная мощность модулей СЭС определяется из выражения:

30 • W

РСЭС = —— Рм,

W м

где W - среднесуточное потребление электроэнергии объектом электро­снабжения, кВтч.

В таблице 12 даны месячные и суммарные годовые значения сол­нечной радиации (кВт ч/м ) для основных регионов России, а также с градацией по различным ориентациям световоспринимающей плоско­сти.

Таблица 12 Астрахань, широта 46.4 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год Горизонтальная панель 32,4 52,9 95,5 145,5 189,4 209,9 189,7 174,7 127.8 81.7 45.0 26.6 1371.1 Вертикальная панель 62.1 75.9 99.5 103.0 97.1 92.0 91.8 112.1 123.2 116.5 86.4 52.7 1112.2 Наклон панели - 35.0° 56.1 77.9 122.5 161,6 187.8 197.7 184.5 189.9 164.6 124.7 80.2 46.9 1593.6 Вращение вокруг полярной оси 69.4 96.0 157.1 218.3 268.0 293.3 269.1 276,1 229 164,4 102,3 57,3 2200,2 Владивосток, широта 43.1 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год Горизонтальная панель 72.7 93.2 130.0 135,1 143.9 129.2 124.3 124.8 119.1 94.3 64.6 57.8 1289.5 Вертикальная панель 177.0 166.0 139.2 90.2 74. 9 64.4 66.9 79.0 105.2 126.8 127.7 147.1 1364.2 Наклон панели - 50.0° 169.0 171.8 173.0 138.1 121.1 109.6 109.1 121.7 144.1 147.5 130.3 139.5 1681.3 Вращение вокруг полярной оси 194.9 211.1 227.0 189.3 178.9 150.6 142.8 164.3 194.2 184.0 151.9 157.6 2146.7 Москва, Котельническая наб, широта 55.7 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год Горизонтальная панель 16.4 34.6 79.4 111.2 161.4 166.7 166.3 130.1 82.9 41.4 18.6 11.7 1020.7 Вертикальная панель 21.3 57.9 104.9 93.5 108.2 100.8 108.8 103.6 86.5 58.1 38.7 25.8 908.3 Наклон панели - 40.0° 20.6 53.0 108.4 127.6 166.3 163.0 167.7 145.0 104.6 60.7 34.8 22.0 1173.7

Вращение вокруг полярной оси	21.7	62.3	132.9	161.4	228.0	227.8	224.8	189.2	126.5	71.6	42.2	26.0	1514.3
Петрозаводск, широта 61.	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	7.1	19,9	66,7	101,1	141.0	167,1	157.7	109,6	56,5	23.0	8.2	2.4	860.0
Вертикальная панель	20.0	41.3	120.2	107.1	102,7	112.0	113,6	98,1	67,6	36,0	14,4	2.8	835,6
Наклон панели - 45.0°	16,8	36.9	116.4	127.7	148.1	166.3	163.7	128.6	77.3	36.7	13.5	2.8	1034,6
Вращение вокруг полярной оси	19.9	44.6	159.1	177.5	215.2	258.0	252.1	179.7	96.4	42.7	15.0	2.9	1463,0
Петропавловск- Камчатский, широта 53.3	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	30.2	49.6	94.3	127.3	152.9	155.8	144.9	131.1	91.0	64.4	33.6	23.3	1098.4
Вертикальная панель	77.7	99.7	133.3	116.1	96.5	90.3	91.3	99.5	97.1	111.5	86.8	78.5	1178.3
Наклон панели - 50.0°	70.6	95.9	142.3	148.1	147.4	142.5	137.6	140.9	120.2	118.0	81.6	69.8	1414.9
Вращение вокруг полярной оси	80.2	114.5	181.5	200.8	202.7	202.5	189.3	193.0	156.0	147.0	95.9	80.2	1843.6
Сочи, широта 43.6	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	37.0	55.2	84.0	116.6	167.1	199.0	206.8	185.0	130.1	95.4	54.2	34.7	1365.1
Вертикальная панель	65.8	76.5	Я1.1	80.0	86.9	86.2	95.7	113.6	119.0	130.0	97.6	67.6	1099.9
Наклон панели - 35.0°	62.0	80.2	103.5	125.0	163.0	184.9	198.1	197.0	161.6	141.7	92.8	61.7	1571.4
Вращение вокруг полярной оси	76.0	99.1	129.9	160.1	222.1	269.3	289.0	284.0	222.0	185.8	117.2	75.6	2129.9
Южно-Сахалинск, широта 47	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	50.9	77.1	128.8	138.6	162.8	157.5	146.7	128.5	105.9	79.4	49.7	41.7	1267.5
Вертикальная панель	113.2	137.8	132.2	103.4	90.3	81.9	82.9	87.3	99.5	111.4	97.9	97.7	1265.5
Наклон панели 45.0°	102.2	132.7	175.4	149.1	153.7	142.2	136.6	131.5	130.4	124.2	94.8	87.2	1560.2
Вращение вокруг полярной оси	118.5	160.6	219.3	191.8	206.6	193.4	176.3	167.5	167.7	153.8	111.7	99.9	1966.9

Для северных широт (выше 50...600) круглогодичная эксплуата­ция СЭС малоэффективна. В таких районах возможно применение СЭС только для сезонного электроснабжения или использовать комбиниро­вание с другими возобновляемыми источниками энергии.

Критерием для определения рационального режима работы СЭС (круглогодичный или сезонный) могут служить данные о суммарной радиации на поверхность земли:

к _ Е год

к рад ’

Е мес

где Егод - средние годовые суммы суммарной радиации на горизонталь­ную поверхность, кВтч/м ; Емес - среднемесячная сумма суммарной ра­диации на горизонтальную поверхность, минимальная в течение года, кВтч/м2.

При значениях крад больше 50 возможно только сезонное приме­нение СЭС.

В эксплутационные расходы СЭС входят затраты на обслужива­ние С экс и ремонт С рем:

С рем к рем ' рн (К уст + К стр),

где к рем - коэффициент затрат на ремонт.

Ориентировочные расчеты, проведенные для южных районов Томской и Кемеровской областей, показывают, что для солнечной элек­тростанции мощностью 20 кВт себестоимость производства электро­энергии составит около 40 р./кВтч.

Следует отметить, что себестоимость электроэнергии мало зави­сит от мощности станции и определяется в основном интенсивностью солнечной радиации.

Вопросы для самопроверки

1. По каким признакам классифицируются геотермальные воды?

2. Охарактеризуйте технологию производства электроэнергии с использованием высокопотенциальных геотермальных вод.

3. Каковы возможности энергетического использования низко­потенциальных геотермальных вод?

4. Назовите основные достоинства и недостатки геотермальных теплоэлектростанций.

5. Поясните принцип действия термодинамической и фотоэлек­трической солнечной электростанции.

6. Изобразите вид вольт-амперных характеристик фотоэлектри­ческого модуля при различном уровне освещенности.

7. Какими факторами определяется мощность, генерируемая солнечной батареей?

8. Назовите основные элементы фотоэлектростанции.