ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Способы преобразования солнечной энергии

     Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую энергию, электрическую, химическую и другие виды. На верхнем рисунке показана диаграмма, характеризующая два основных пути генерации электроэнергии с помощью Солнца.Дома с тепловыми коллекторами на крыше.


Преобразование в тепло

     Преобразование в тепло - один из наиболее древних и наиболее эффективных способов преобразования солнечной энергии.
     В настоящее время имеются эффективные установки различной мощности для получения тепловой энергии. Они используются для обогрева помещений, нагрева воды и даже приготовления пищи (см. рисунок слева внизу).

 

 

Солнечная плита для подограва пищи

Тепловые коллекторы. Производство КНР.

Использование солнечной энергии для обогрева закладывается в проектах современных экодомов. Все чаще можно встретить дома с тепловыми коллекторами, установленными на крышах домов (см. рисунок вверху справа).

Основным элементом всех установках, преобразующих солнечное излучение в тепло, является коллектор, в котором происходит нагрев теплоносителя. В качестве теплоносителя могут использоваться как жидкости, так и газы. Наиболее распространенными теплоносителями являются воздух и вода. На вход коллектора теплоноситель поступает с температурой Твх, к потребителю он поступает с температурой Твых > Твх. Чем выше разность Твых - Твх, тем выше эффективность преобразования энергии.
     Для КПД преобразования можно записать:   КПД = Q / (H·A),
 где Q - тепловая мощность в нагрузке, H - суммарная плотность падающего энергетического потока, A - площадь коллектора.

Диаграмма эффективности

На приведенной диаграмме показано, как связаны потери коллектора с его КПД (чем меньше наклон линии, тем выше качество коллектора).
     Системы солнечного теплоснабжения используются для сушки, горячего водоснабжения, отопления.
     По продолжительности работы они могут быть круглогодичными и сезонными.
     Стоимость установок горячего водоснабжения может составлять 15-35% от стоимости объекта.
     По техническому решению установки могут быть: прямоточными, одноконтурными, двухконтурными, многоконтурными. Некоторые из схем горячего теплоснабжения приведены на рисунках.

Прямоточная схема

Прямоточная схема с аккумулятором

Замкнутая схема с теплообменником

     В установках, работающих по прямоточной схеме, теплоноситель подается в солнечные коллекторы или в теплообменник гелиоконтура, где он нагревается и поступает либо непосредственно потребителю, либо в бак аккумулятора. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель дополнительно нагревается в дублирующем источнике тепла.

     В контурных схемах передача тепла от солнечного коллектора осуществляется либо через бак аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей, либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака, так и вне него. Площадь солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления, обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего водоснабжения.

     К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а так же установки, работающие в режиме теплового насоса для целей теплохладоснабжения.

Биоконверсия солнечной энергии

     В биомассе, образующейся в процессе фотосинтеза, солнечная энергия запасается в виде химической энергии. Этот способ преобразования солнечной энергии используется всеми растениями. Все современное биотопливо было накоплено в результате биоконверсии энергии достигающего Земли солнечного излучения.
     Растительный покров земли составляет 1800 миллиардов тонн сухого вещества, этому соответствует энергетический эквивалент 3·1022 Дж.
     Ежегодно с помощью фотосинтеза на Земле производится 173 миллиарда тонн сухого вещества. Примерно двадцатая часть этого количества используется в энергетике и одна двухсотая часть употребляется в пищу.

Термодинамическое преобразование солнечной энергии

Солнечная электростанция, башенного типа с управляемыми коллекторами, мощностью в 10 Мвт , построенная в горной местности Мексики (Эрмосильо).      При термодинамическом преобразовании используется преобразование солнечной энергии в тепловую для нагрева пара, затем в механическую и затем в электрическую. В большинстве установок концентрирующие солнечное излучение коллекторы используются для нагрева воды или воздуха до температур порядка нескольких сот градусов. Полученный пар или нагретый воздух применяются затем для совершения работы по термодинамическому циклу.
     Таким образом, из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получить электричество практически так же, как и из других источников энергии.

     Для получения высокой температуры в солнечных электростанциях с термодинамическим преобразованием основным элементом являются концентраторы солнечной энергии. Степень концентрации до 1000 получается при использовании фокусирующих зеркальных гелиостатов (верхний рисунок), управляемых по двум вращательным степеням свободы.
      Схема преобразования солнечной энергии по открытому циклу Брайтона В солнечной электростанции башенного типа преобразование энергии осуществляется по так называемому открытому циклу Брайтона, представленному на схеме справа. В этом цикле камера сгорания заменяется приемником сконцентрированного излучения, расположенном на башне. На вход компрессора воздух поступает при Т = 299 К, на выходе приемника температура воздуха Т = 1023 К. Этот воздух поступает на турбину. На выходе турбины воздух имеет температуру 529 К. Соответственно КПД идеального цикла Брайтона составляет 1‑Tвхвых = 48%.

     Преимущество станции башенного типа заключалось в том, что не нужно осуществлять транспортировку рабочего газа на большие расстояния от приемника до турбины. Однако система концентрации излучения оказалась дорогой и недостаточно эффективной, и, из-за погрешностей в слежении, коэффициент концентрации составлял примерно 1/3 от расчетного.
      Солнечная электростанция с параболическими рефлекторами и паровой турбиной Более перспективными оказались станции с распределенным приемником энергии. В них степень концентрации порядка 100 получается при использовании отражающих поверхностей, концентрирующих энергию при любом направлении прихода солнечных лучей. Система слежения за Солнцем осуществляется в этом случае с помощью упрощенной системы управления. К устройствам такого типа относятся параболоцилиндрические отражатели, ось которых либо горизонтальна (правый рисунок), либо перпендикулярна движению Солнца. Управляются такие установки только в соответствии с изменением положения Солнца в течение дня. Изменение положения Солнца в течение года при этом не учитывается, принимаются лишь меры к тому, чтобы фокальное изображение не выходило за пределы поверхности приемника концентрированного излучения.

Схема солнечной электростанции с параболоцилиндрическими концентраторами      На рисунке справа показана схема солнечной электростанции (типа "Луз") с параболоцилиндрическими концентраторами. Для снижения расхода электроэнергии на обеспечение циркуляции потока теплоносителя и максимального уменьшения диаметра приемных труб в качестве теплоносителя используется синтетическое масло. Станции этого типа насчитывают несколько сотен зеркал (1), направляющих излучение на тонкую трубу из нержавеющей стали (2) с черным покрытием. Перегретое масло (390°С) поступает в теплообменник (3), где отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, отработанный пар поступает в конденсатор (4). Перегретый пар приводит в действие турбогенератор обычного типа (5). Для подогрева теплоносителя при недостаточном солнечном излучении используется газовый подогреватель (2).

Машинный зал солнечной электростанции с параболическими концентраторами, Калифорния      Внешний вид машинного зала солнечной электростанции типа "Луз" показан на рисунке справа. Было построено несколько станций подобного типа с общей установленной мощностью в несколько сотен МВт. Величина выработанной ими энергии превышает 1010 Вт·ч.

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу. Первый - использование небольших централизованных станций для отдаленных районов. Второй - создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков МВт, рассчитанных на работу в централизованной сети.

Изменение стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечной электростанцией с параболическими рефлекторами и паровой турбиной

     Солнечные электростанции параболического типа оказались более дешевыми, чем электростанции башенного типа. Был создан ряд фирм по их проектированию и установке, что позволило осуществлять их постепенное совершенствование и снижение начальных затрат и соответственно стоимость произведенной энергии (см. прогноз на рисунке выше).


Работа над темой