Сонячні електростанції

Рисунок 2.18 Сонячна електростанція в США потужністю 270 МВт

Сонячне випромінювання – екологічно чистий і поновлюване джерело енергії. Запаси сонячної енергії величезні. До початку XXI століття людство розробило і освоїло ряд принципів перетворення теплової енергії в електричну. Їх можна умовно розділити на машинні і безмашінние методи. Останні часто називають методами прямого перетворення енергії, оскільки в них відсутня стадія перетворення теплової енергії в механічну роботу.

Серед машинних перетворювачів найбільш відомі паро і газотурбінні установки, що працюють на всіх наземних теплових і атомних електростанціях.

Принципова схема замкнутої газотурбінної установки виглядає так. Сонячна радіація, зібрана концентратором на поверхні сонячного котла, нагріває робоче тіло – інертний газ до температур порядку 1200 – 1500 градусів Кельвіна і під тиском, створюваним компресором, подає гарячий газ на лопатки газової турбіни, яка приводить в дію електрогенератор змінного струму. Відпрацював у турбіні газ надходить спочатку в регенератор, де підігріває робочий газ після компресора. Тим самим він полегшує роботу основного нагрівача – сонячного котла. Потім газ охолоджується в холодильнику-випромінювачі.

Випробування трьохкіловатної газотурбінної установки, проведені в 1977 році на п'ятиметровому фацетном параболічному концентраторі у Фізико-технічному інституті Академії наук Узбекистану, показали, що встановлення такого типу дуже маневрені. Вихід на номінальні обороти становив не більше хвилини з моменту наведення сонячного плями на порожнину циліндричного котла. Коефіцієнт корисної дії цієї установки - 11 відсотків.

У енергоустановки з паротурбінних перетворювачем зібрана концентратором сонячна енергія нагріває в сонячному котлі робочу рідину, що переходить в насичений, а потім і в перегріта пара, що розширюється в турбіні, поєднаної з електрогенератором. Після конденсації в холодильнику-випромінювачі відпрацьованого в турбіні пара його конденсат, стискає насосом, знов поступає в котел. Оскільки підвід і відвід тепла в цій установці здійснюються ізотермічні, середні температури підведення та відведення виявляються вищими * ніж у газотурбінної установки, а питомі площі випромінювача і концентратора можуть виявитися менше. У подібної установки, що працює на органічному робочому тілі, коефіцієнт корисної дії становить 15-20 відсотків при порівняно невисоких температурах підвода тепла – всього 600 - 650 градусів Кельвіна.

Від багатьох недоліків, властивих машинним перетворювачів, вільні енергоустановки з так званими безмашіннимі перетворювачами: термоелектричними, термоеміссіоннимі та фотоелектричні, безпосередньо перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричний струм.

"Термоелектрогенератори засновані на відкритому в 1821 році німецьким фізиком Т. І. Зеєбека термоелектричному ефекті, що складається у виникненні на кінцях двох різнорідних провідників термо-ЕРС, якщо кінці цих провідників знаходяться при різній температурі, - пише в" Соросівський освітньому журналі "Л.М . Драбкін. - Відкритий ефект спочатку використовувався в термометрії для вимірювання температур. Енергетичний ККД таких пристроїв - термопар, що має на увазі відношення електричної потужності, що виділяється на навантаженні, до підведення тепла, становив частки відсотка. Тільки після того, як академік А. Ф. Йоффе запропонував використовувати для виготовлення термоелементів замість металів напівпровідники, стало можливим енергетичне використання термоелектричного ефекту, і в 1940-1941 роках в Ленінградському фізико-технічному інституті був створений перший у світі напівпровідниковий термоелектрогенератор. Працями і його школи в 40-50-ті роки була розроблена і теорія термоелектричного ефекту в напівпровідниках, а також синтезовані вельми ефективні (до цього дня) термоелектричні матеріали ".

Сполучаючи між собою окремі термоелементи, можна створювати досить потужні термобатареі. Електростанція потужністю 10 ГВт може важити до 200 тисяч тонн. Зниження ваги енергоустановки прямо пов'язане з підвищенням коефіцієнта корисної дії перетворення сонячної енергії в електрику.

Цього можна досягти двома шляхами: збільшенням термічного коефіцієнта корисної дії перетворювача і зниженням необоротних втрат енергії у всіх елементах енергоустановки.

У першому випадку концентроване випромінювання дозволяє отримувати дуже високі температури. Але одночасно при цьому вельми зростають вимоги до точності систем спостереження за Сонцем, що для величезних за розмірами концентрують систем малоймовірно. Тому зусилля дослідників незмінно прямували на зниження необоротних втрат. Вони спробували зменшити перетікання тепла з гарячих спаїв на холодні теплопровідністю. Для вирішення цього завдання потрібно домогтися збільшення добротності напівпровідникових матеріалів.

Однак після багаторічних спроб синтезувати напівпровідникові матеріали з високою добротністю стало ясно, що досягнута сьогодні величина є граничною. Тоді виникла ідея розділити гарячий і холодний спаї повітряним проміжком, подібно двоелектродної лампі - діод. Якщо в такій лампі розігрівати один електрод - катод і при цьому охолоджувати другий електрод - анод, то в зовнішній електричного кола виникне постійний струм. Вперше це явище спостерігав у 1883 році Томас Едісон.

"Відкрите Едісоном явище отримало назву термоелектронної емісії, - пише Л. М. Драбкін. - Подібно термоелектрики воно довгий час застосовувалося в техніці слабких струмів. Пізніше вчені звернули увагу на можливості використання методу для перетворення тепла в електрику. І хоча природа у термоелектрики і термоелектронної емісії різна, але вирази для ККД у них однакові.

Головні складові необоротних втрат у ТЕП пов'язані з неізотермічними характером підведення та відведення тепла на катоді і аноді, перетіканням тепла з катода на анод за елементами конструкції ТЕП, а також з омічний втратами в елементах послідовного з'єднання окремих модулів.

Для досягнення високих ККД циклу Карно сучасні ТЕП створюють на робочі температури катодів 1700–1900 К, що при температурах охолоджуваних анодів порядку 700 До дозволяє отримувати ККД близько 10 відсотків. Таким чином, завдяки зниженню необоротних втрат в самому перетворювачі і при одночасному підвищенні температури підвода тепла ККД ТЕП виявляється вдвічі вище, ніж у описаного вище ТЕГ, але при істотно більш високих температурах підвода тепла ".

Тепер розглянемо фотоелектричний метод перетворення енергії. У сонячних батареях використовується явище зовнішнього фотоефекту, що проявляється на р-п перехід в напівпровіднику при висвітленні його світлом. Створюють р-п (або п-р) перехід шляхом введення в монокристалічний напівпровідниковий матеріал-базу домішки з протилежним знаком провідності. При попаданні на р-п перехід сонячного випромінювання відбувається збудження електронів валентної зони і утворюється електричний струм у зовнішній ланцюга. Коефіцієнт корисної дії сучасних сонячних батарей досягає 13-15 відсотків.

У сонячних електростанцій є одна, але вельми істотна проблема. Отримувати і використовувати "чисту" сонячну енергію на поверхні Землі заважає атмосфера. А що якщо розмістити сонячні електростації в космосі, на навколоземній орбіті. Там не буде атмосферних перешкод, невагомість дозволить створювати багатокілометрові конструкції, які необхідні для "збору" енергії Сонця. У таких станцій є велика перевага. Перетворення одного виду енергії в інший неминуче супроводжується виділенням тепла, і скидання його в космос дозволить запобігти небезпечне перегрівання земної атмосфери.

Як насправді будуть виглядати сонячні космічні електростанції, сьогодні точно сказати не можна. Хоча до проектування подібних електростанцій конструктори приступили ще в кінці 1960-х років. Будь-який варіант проекту сонячної космічної електростанції припускає, що це колосальна споруда. Навіть найменша космічна електростанція повинна важити десятки тисяч тонн. І цю гігантську масу необхідно буде запустити на віддалену від Землі орбіту.

Сучасні засоби виведення в змозі доставити на низьку – опорну – орбіту необхідну кількість блоків, вузлів і панелей сонячних батарей. Щоб зменшити масу величезних дзеркал, які концентрують сонячне світло, можна робити їх з найтоншої дзеркальної плівки, наприклад, у вигляді надувних конструкцій. Зібрані фрагменти сонячної космічної електричної станції потрібно доставити на високу орбіту і зістикувати там. А долетіти до "місця роботи" секція сонячної електростанції зуміє своїм ходом, варто лише встановити на ній електроракетні двигуни малої тяги.

Але це в майбутньому. Поки ж сонячні батареї з успіхом живлять космічні станції.