Солнечные электростанции

Одним из путей преобразования солнечной энергии в электрическую является строительство гелиотепловых электростанций (рис. 3.6.). При этом необходимая высокая температура парообразования достигается с помощью концентрирующих коллекторов. Важной особенностью данного процесса является необходимость постоянной ориентации системы коллектор-теплоприёмник на солнце, что усложняет и удорожает конструкцию этих устройств. В качестве рабочей жидкости в таких системах может использоваться вода или другие жидкости, обладающие более низкой температурой парообразования.

Рис. 3.7. Гелиотепловая электростанция: 1 - теплоприёмник (котёл); 2 - концентрирующий коллектор; 3 - паровая турбина; 4 - электрогенератор; 5 - конденсатор; 6 - система ориентации; 7 – насос.

Более рациональным способом получения электроэнергии является прямое преобразование солнечной энергии в фотоэлектрических установках, использующих явление фотоэффекта.

Фотоэффектом называют электрические явления в веществах, происходящие при их взаимодействии со световым потоком. Так, при освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п), между ними возникает разность потенциалов (фото-ЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом и относится, по сути, к внутреннему фотоэффекту. Вентильный фотоэффект положен в основу действия солнечных элементов, преобразующих солнечное излучение в электрический ток. Основной материал для изготовления солнечных элементов - кремний.

Важнейшим параметром солнечного элемента является коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую (К_св), равный отношению мощности вырабатываемой им электрической энергии к падающему на элемент потоку излучения.

,

где Р_э - электрическая мощность (максимальная) на выходе элемента;

Р_изл = Е_осв × S_э - мощность светового потока, падающего на поверхность элемента площадью S_э, расположенную перпендикулярно потоку (Вт); Е_осв - освещённость элемента (Вт/м²).

Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10...15 %. Это значит - при освещённости, равной 0,1 кВт/м² они развивают электрическую мощность 10...15 Вт с каждого квадратного метра площади. Солнечные элементы последовательно соединяют в солнечные модули, которые в свою очередь соединяются в солнечные батареи. Схема солнечной фотоэлектрической установки приведена на рис. 3.7. Необходимость использования электрического аккумулятора обусловлена непостоянством потока солнечного излучения в течение суток. Преобразователь необходим для получения переменного тока промышленных параметров (220 В, 50 Гц).

Рис. 3.8. Функциональная схема солнечной фотоэлектрической установки: 1 - солнечная батарея; 2 - электрический аккумулятор; 3 - преобразователь напряжения.

Сдерживающим фактором массового использования фотоэлектрических гелиоустановок является, пока что, относительно высокая стоимость, которая для солнечных батарей составляет около 3…5 долларов США за 1 Вт установленной мощности и до 5 долларов за 1 Вт вспомогательного оборудования (аккумулятор и преобразователь).

Однако при массовом производстве стоимость элементов фотоэлектрических станций снижается. Так, например, в 2004г. в немецком городе Эспенхайм (возле Лейпцига) введена в эксплуатацию солнечная электростанция мощностью 5 МВт. Она содержит 33,5 тысяч солнечных модулей, размещенных на площади 16га. Общая стоимость электростанции 22 млн. евро (около 6 долларов за 1 Вт). Специалисты по солнечной энергетики возлагают большие надежды на возможность существенно (на порядок) снизить стоимость солнечных элементов с помощью достижений нанотехнологий.

В условиях сельскохозяйственного производства, в быту фотоэлектрические установки используются для питания электроизгородей, переносной радиоэлектронной аппаратуры, в микрокалькуляторах. В странах СНГ и Западной Европы разработаны и внедряются водонасосные установки для пастбищного водоснабжения с питанием от солнечных батарей мощностью от сотен ватт до нескольких киловатт. Весьма перспективно использование солнечных фотоэлектрических станций для нужд энергоснабжения бытовых и производственных объектов, удалённых от линий электропередач.

При широком внедрении солнечные электрические станции будут использоваться в комплексе с другими энергетическими объектами, что позволит устранит главный их недостаток – непостоянство поступления производимой электроэнергии. В качестве таковых могут выступать: ГЭС; ВЭУ; установки для получения водорода путем электоролиза и другие. Очень продуктивным является использование промышленных энергосистем в качестве аккумуляторов практически не ограниченной мощности, куда могут отдавать вырабатываемую электороэнергию солнечные электростанции любой мощности.

Ветроэнергетика

Общие сведения

Ветер- это движение воздуха относительно земной поверхности, обусловленное разностью атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому. Причиной неравномерного распределения давления атмосферы является неодинаковый нагрев воздуха, в основном, за счет солнечной радиации. Ветер характеризуется скоростью и направлением. Скорость выражается в м/с, км/ч или приближенно в баллах по шкале Бофорта (см. Приложение 2).

Ветроэнергетика– это отрасль энергетики , связанная с разработкой методов и средств для преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Важной особенностью энергии ветра, как и солнечной энергии является то, что она может быть использована практически повсеместно.

Ветродвигательпредставляет собой устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств для преобразования энергии ветра в другие виды: механическую, электрическую или тепловую. Ветродвигатель является неотъемлемой частью ВЭУ. В ее состав также могут входить: рабочие машины (электрогенератор, тепловой генератор); аккумулирующие устройства; системы автоматического управления и регулирования и др.

К основным техническим характеристикам ВЭУ относятся: номинальная мощность; номинальная или расчетная скорость ветра; минимальная скорость ветра; максимальная рабочая скорость ветра; номинальная частота вращения ветроколеса.

Номинальная мощность,(Р_н,кВт) – это значение мощности ВЭУ, развиваемая при значениях скорости ветра в пределах от номинальной (расчетной) скорости до максимальной рабочей скорости. Значение Р_н указывается изготовителем в паспорте на ветродвигатель.

Номинальная (расчетная) скорость ветра (υ_р,м/с)-скорость ветра, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для различных конструкций ветроустановок эта скорость различна.

Минимальная скорость ветра(υ_о,м/с)-скорость ветра, при которой ВЭУ вступает в работу. Для тихоходных установок эта скорость не превышает 2…3 м/с. Для быстроходных ВЭУ υ_о ≥7 м/с.

Максимальная рабочая скорость ветра (υ_м, м/с) - скорость ветра, превышение которой может привести к разрушению ВЭУ. При υ_в≥ υ_м производят, так называемое, штормовое (или буревое) отключение ВЭУ. Значение υ_м для различных типов ВЭУ лежит в пределах 25…60м/с. На рис.3.9. приведена зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра.

Рис. 3.9. Зависимость выходной мощности ВЭУ от скорости ветра при регулировании скорости вращения ветроколеса: Р_н - номинальная мощность ВЭУ; υ₀ - минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать энергию; υ_р - расчётная скорость ветра; υ_м - максимальная скорость ветра для работы ВЭУ.

Номинальная частота вращения ветроколеса (n_нвк,об/мин) – это такая скорость вращения, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для большинства современных ВЭУ используют регулирование частоты вращения ветроколеса с целью обеспечения постоянства этого параметра при изменении скорости ветра.