ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество из "Индивидуальные солнечные установки " Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальваническо-го и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей. [c.16] Рассмотрим физическую сущность процессов преобразования солнечной энергии в теплоту и работу, а также состояние работ по производству электрической энергии, поскольку это наиболее полно характеризует современный уровень развития гелиотехники. [c.16] Преобразование солнечной энергии в механическую осуществляется в две стадии. Первая стадия включает фототермическое преобразование, в результате которого солнечная энергия, поглощаемая в коллекторе, нагревает теплоноситель или рабочее тело. Этот нагрев может происходить непосредственно в солнечном коллекторе—приемнике солнечного излучения — или в теплообменнике. При этом пбмимо нагрева как такового для таких рабочих тел, как водяной пар и пары органических веществ (фреонов), происходит также процесс образования и перегрева пара. Вторая стадия осуществляется в тепловом двигателе, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в работу. В цикле теплового двигателя рабочее тело (водяной пар или пары фреонов, воздух и т. п.) получает теплоту от источника теплоты, в результате чего оно расширяется и выполняет работу, отдает теплоту р2 окружающей среде и при этом сжимается с затратой работы. Полезная работа цикла равна разности количеств подведенной и отведенной теплоты L=Q —Qi, а эффективность преобразования теплоты в работу характеризуется термическим КПД цикла r =L Q = —Qi Q. [c.16] Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления. [c.17] Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника сконцентрированной солнечной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела). [c.17] Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны. Районы, в которых годовое количество осадков не превышает 250 мм, занимают около части всей суши Земли. На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн. км (площадь Сахары 7 млн. км ) за год поступает около 5-10 кВт-ч солнечной энергии. Приэф-фективности преобразования солнечной энергии в элект- рическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энерго- потребления. [c.17] В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа. Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа (рис. 4), была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах. [c.17] СЭС-5 обошлось в 30 млн. руб., а удельная стоимость установленной мощности равна 6 тыс. руб/кВт. [c.18] В США израильской фирмой Луз в 1988 г. были построены семь и продолжалось строительство еще шести СЭС мощностью 30 МВт и стоимостью 104 млн. долл. каждая, а в 1992 г. предусмотрен ввод в действие крупной СЭС мощностью 350 МВт. [c.18] Для покрытия потребностей в электроэнергии всей Западной Европы достаточно построить в Испании серию СЭС на площади, занимающей 1,8 % ее территории. При этом ими будут заменены атомные электростанции. [c.18] В Каракалпакии предусмотрено строительство комбинированной солнечно-топливной электростанции общей электрической мощностью 300 МВт. Мощность солнечного блока 100 МВт, требуемая площадь 200 га, высота башен 300 м. Расчетная годовая экономия топлива составляет 80 тыс. т условного топлива. [c.18] В СЭС распределенного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт. [c.18] В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 °С, воздух и другие газы — до 1000 °С, иизкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны)—до 100 °С, жидкометаллические теплоносители — до 800 °С. [c.19] В ряде стран разрабатываются гелиоэнергетические установки с использованием так называемых солнечных прудов. На озере Солтон Си (Калифорния, США) площадью 932 км предусмотрено сооружение СЭС с мощностью модуля 5 МВт, с дальнейшим развитием до 50 МВт и доведением общей мощности СЭС до 600 МВт, при этом будет использоваться 15 % всей площади озера. В 1987 г. в Израиле построена СЭС мощностью 5 МВт с площадью солнечного пруда 0,25 км, в дальнейшем намечено построить две СЭС по 20 МВт (площадь пруда 1 км ) и СЭС 50 МВт (площадь 4 км ), а затем на Мертвом море (площадь 500 км ) будет создано несколько СЭС мощностью по 50 МВт и до 2000 г. предусмотрено ввести в строй серию СЭС по 50—100 МВт общей мощностью 2000—3000 МВт. [c.19] СЭС на базе солнечных прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом. Стоимость производства 1 кВт-ч электроэнергии составляет 0,1 долл., что в 4,5 раза дешевле, чем на СЭС башенного типа. [c.19] Главными недостатками башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт — всего 50 га. В соответствии с прогнозом в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км на суше и 18 млн. км в океане. [c.19] Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством р — п соединения (рис. 5). [c.20] Стоимость кремниевых элементов в США снизилась с 1970 г. по 1985 г. с 60 до 8 тыс. долл/кВт пиковой мощности. Успешно ведутся работы в США, Японии, ФРГ и Франции по созданию тонкопленочных солнечных элементов с удельной стоимостью 1000 долл/кВт. Ежегодный прирост сбыта солнечных батарей в мире составляет 35 % и в 1990 г. он должен достичь 500 МВт при стоимости 3000 долл/кВт. В настоящее время 25 % мирового производства солнечных батарей приходится на Японию. [c.20] Есть все основания полагать, что для достижения этой цели потребуется не так уж много времени. Наш оптимизм базируется на новейших достижениях в области разработки высокоэффективных солнечных элементов. Так, в 1989 г. фирмой Боинг (г. Сиэтл, США) создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галлия — с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходя через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимонид галлия),в итоге КПД составляет 28 %-1-9 % =37 %, что вполне сопоставимое КПД современных тепловых и атомных электростанций. По прогнозу через 3 года эти солнечные элементы найдут применение в космосе, а в течение 10 лет их стоимость снизится настолько, что станет вполне экономически обоснованным их применение в наземных системах, при этом себестоимость вырабатываемой энергии составит 0,1 долл/(кВт-ч). [c.21] По прогнозам к 2010 г. суммарная мощность СЭС в мире должна достичь 128,5 млн. кВт, в том числе СЭС с термодинамическим преобразованием — 115 млн. кВт, с солнечными прудами — 3.5 млн. кВт и фотоэлектрическими установками — 10 млн. кВт. В дополнение к этому предусматривается доведение мощности ВЭУ до 2,8 млн. кВт. [c.22] Вернуться к основной статье