Фотоэлектрическая солнечная электростанция

Для выработки электроэнергии на фотоэлектрических СЭС используется явление фотоэффекта – преобразование электромагнитного излучения в электрический ток. Чаще всего применяются кремниевые фотоэлектрические преобразователи на кристаллическом (к.п.д. 15…20%) или аморфном (к.п.д. до 90%) кремнии. Однако наиболее перспективными считаются двухкаскадные фотоэлектрические преобразователи (арсенид галлия – кремниевые). На рис. 56 представлена схема фотоэлектрической СЭС.

Вытяжная труба

Воздушная турбина

Солнечный

коллектор Электрогенератор

(парник)

Воздух

Рис.55. Схема парниковой СЭС

Фотоэлектрический

преобразователь

Ячейка

Преобразователь

постоянного тока

в 3-фазный переменный

Рис.56. Схема фотоэлектрической солнечной электростанции

Для увеличения эффективности работы фотоэлектрической СЭС предложена конструкция, предусматривающая использование цилиндрических параболических зеркал (рис. 57). Однако в этом случае возникает необходимость охлаждения фотопреобразователей.

Параболический

отражатель-

концентратор Фотопреобразователь

на охлаждаемой

трубе

Рис.57. Фотоэлектрическая СЭС с параболическими зеркалами

Солнечные электростанции с химическим преобразованием веществ

Австралийскими учеными предложен оригинальный способ преобразования и использования солнечной энергии, заключающийся в том, что тепло солнечного излучения используется для разложения аммиака на водород и азот:

2NH₄ ® 4H₂ + N₂

Если затем создать условия для обратной реакции соединения этих компонентов, можно получить тепло и использовать его по обычной схеме работы тепловых электростанций.

Способ привлекателен еще и тем, что можно создавать запасы водорода и азота, т.е. аккумулировать энергию еще не прореагировавших веществ.

В Германии создана установка, позволяющая разлагать серный ангидрид на сернистый ангидрид и кислород:

2SO₃ ® 2SO₂ + O₂

Необходимая для осуществления этого процесса температура в 800-1000 ⁰С достигается в фокусе параболического зеркала.

Синтез серного ангидрида осуществляется в регенерационном реакторе в присутствии специального катализатора. При реакции выделяется тепло и достигается температура до 500 ⁰С, что достаточно для превращения воды в пар с дальнейшим его использованием в паровой турбине электрогенератора.

Солнечно-газовая энергетика

Гибкую и экономичную энергосистему можно построить в районах с интенсивной солнечной радиацией и крупными газовыми месторождениями. Здесь одновременно будут работать два источника энергии – Солнце и газ, что даст для обычной газовой электростанции почти двукратную экономию топлива.

В 1989 г. в США введена в эксплуатацию солнечно-газовая электростанция мощностью 80 МВт. В ночные часы и зимой энергию дает в основном газ, а летом в дневные часы – Солнце.

Приемником солнечной радиации служит длинный параболо-цилиндрический отражатель, в фокусе которого проходит труба с теплоносителем, нагреваемым до 350 ⁰С (рис. 58).

2

5

3 4 Газ

6

7 8

9 12

10 11

Рис.58. Схема солнечно-газовой электростанции:

1 – гелиостат; 2 – котел; 3 – контур теплоносителя гелиостатов; 4 – паровой контур;

5 – контур парообразующей воды; 6 – перегреватель пара; 7 – турбина; 8 – электрогенератор; 9 – парогенератор; 10 – водоподогреватель; 11 – конденсатор; 12 - градирня

«Солнечные пруды»

Концентрирования в 100 тыс. раз (с 200 Вт/м² до 20 МВт/м²) природного потока солнечной энергии можно добиться путем использования так называемых «солнечных прудов» (рис. 59).

Морская вода

20 ⁰С

90 ⁰С

Электрогенератор с паровой

турбиной Инерци-

онный

Охлаждающая вода сепара-

Конденсат тор для

(пресная вода) отделе-

ния пре-

сной воды

Рис.59. Схема «солнечного пруда»

Солнечный пруд – это неглубокий водоем, заполненный послойно водой различной плотности: нижний слой – очень концентрированный рассол, полученный упариванием морской воды или непосредственно из подземных потоков, верхний слой – пресная вода. Тяжелый рассол не поднимается вверх, благодаря чему образуется своеобразная жидкостная теплица, аккумулирующая тепловую солнечную энергию.

Максимальная температура нагрева рассола может достигнуть 109 ⁰С. Для получения электроэнергии нагретый рассол подается по трубе в инерционный сепаратор, где под действием сил инерции происходит дополнительное отделение менее соленой (и менее горячей) воды. Из сепаратора концентрированный рассол подводится к энергетической установке с обычной паровой турбиной низкого давления.

С начала 90-х г.г. в мире проходят экспериментальную проверку около 20 «солнечных прудов».

Солнечные электростанции в космосе

В последние годы все большее внимание уделяется космической энергетике. Разрабатываются проекты крупномасштабного производства электроэнергии в космическом пространстве с последующей передачей ее на Землю.

Большинство проектов основано на создании фотоэлектрических приемников-преобразователей площадью в несколько десятков км² на высоте до 35 тыс. км от поверхности Земли над экваториальной зоной.

Если использовать существующие типы солнечных батарей, то их площадь для получения мощности 5 млрд. кВт должна составить 60 км², а масса – около 12 тыс. тонн.

Прогресс в создании солнечных батарей позволяет надеяться на снижение в будущем их удельной массы в сотни раз с соответствующим уменьшением размеров конструкций в космосе.

Можно построить в космосе и обычную тепловую электростанцию, в которой лопасти турбины будут вращаться потоком инертного газа, сильно разогретого концентрированными солнечными лучами. Проект такой станции предусматривает выработку электроэнергии мощностью до 8 МВт.

Передача энергии из космоса на Землю может осуществляться пучком сверхвысокочастотного излучения. Диаметр передающей антенны при этом должен быть около километра, а масса вместе с преобразователем постоянного тока в сверхвысокочастотное излучение – несколько тысяч тонн. Площадь приемной антенны вследствие рассеивания пучка излучения в атмосфере должна составлять около 300 км².