XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Солнечные тепловые электростанции в простейшей интерпретации представляют собой электростанцию с паровой машиной, котел которой нагревается за счет сфокусированного солнечного излучения. Сфокусированное солнечное излучение позволяет получать достаточно высокие для работы паровой машины температуры (до 700 ℃). При этом можно получать и достаточно высокий КПД. Еще более лучших показателей можно достичь, используя тепловые машины внешнего сгорания (двигатели Стирлинга). Такое применение диктуется расположением источника тепла (солнечного излучения) вне камеры сгорания. Кроме того, термический КПД двигателя Стирлинга равен КПД цикла Карно. Еще одним достоинством двигателя внешнего сгорания является малый шум при работе.

Цикл Стирлинга (рисунок 1) включает изотермическое сжатие (1 –2), изохорный подвод теплоты (2 – 3), изотермическое расширение (3 – 4) и изохорный процесс (4 – 1), замыкающий цикл.

Рисунок 1 - Цикл Стирлинга

Термический КПД цикла Стирлинга равен отношению совершенной в цикле полезной работе к количеству теплоты, затраченной на производство этой работы. В цикле Стирлинга теплота подводится в процессах 2 – 3 и 3 – 4, а отбирается в процессах 4 – 1 и 1 – 2. Количество теплоты, выделяемое в двигателе при сжатии газа, поглощается газом при расширении, следовательно, этот теплообмен является внутренним, и его можно не учитывать при определении термического КПД Таким образом, для расчета термического КПД цикла Стирлинга необходимо знать только входящую (процесс 3 – 4) и выходящую (процесс 1 – 2) теплоту.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса имеет вид:

Или для одного моля идеального газа:

Отсюда для двух рассматриваемых процессов после интегрирования получаем:

Как видим, термический КПД цикла Стирлинга эквивалентен термическому КПД цикла Карно.

Устройство и принцип действия реального двигателя Стирлинга, имеющего цикл близкий к теоретическому циклу, показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Устройство и схема работы двигателя Стирлинга

1 – источник концентрированного солнечного излучения, 2 – горячая зона, 3 – регенератор, 4 – вытесняющий поршень, 5 – охладитель, 6 – силовой поршень, 7 – холодная зона.

Двигатель работает следующим образом. Газ под действием концентрированного солнечного излучения нагревается в горячей зоне и, расширяясь, проходит через регенератор, где охлаждается. После прохождения регенератора охлажденный газ поступает в холодную зону и давит на силовой поршень, толкая его вниз. В идеальном цикле это соответствует процессам 3 – 4 и 4 – 1, в реальном двигателе эти процессы идут одновременно и не могут быть разделены.

Силовой поршень связан с вытесняющим поршнем так, что при движении силового поршня вниз, вытесняющий поршень движется вверх, выталкивая газ из горячей зоны через регенератор.

Достигнув нижнего значения, силовой поршень начинает двигаться вверх, вытесняя уже охлажденный газ через регенератор в горячую зону. Проходя через регенератор, газ нагревается до температуры Т₂. Вытесняющий поршень при этом достигает своего нижнего значения. Газ в горячей зоне нагревается до температуры Т₃ и цикл повторяется. Серийное производство двигателей внешнего сгорания сдерживается из-за его больших размеров и трудностей конструкции нагреваемой стенки цилиндра. С освоением композиционных материалов, выдерживающих высокие температуры, двигатели внешнего сгорания стали выпускаться некоторыми европейскими фирмами. Однако такого типа солнечные электростанции могут работать только при ясной погоде, так как требуют прямого излучения, способного фокусироваться. Это обстоятельство создает повышенные требования к аккумулированию энергии и, следовательно, приводит к повышению стоимости вырабатываемой энергии. Снижения стоимости сейчас добиваются различными путями, основными из которых являются:

прямое применение тепла для процессов, требующих нагрева;

применение теплоносителей, обладающих высоким аккумулирующим эффектом;

применение солнечных тепловых электростанций в качестве дополнительных источников электроэнергии в системной электроэнергетике.

Выбор путей снижения стоимости зависит от назначения электростанции, и, в частности, для автономного использования будет ограничен первыми двумя. Рассмотрим эти направления.

Солнечная электростанция с паровым котлом требует конденсатора, который охлаждается водой. Нагретая охлаждающая вода должна сама в свою очередь охлаждаться. Целесообразно тепло от охлаждающей воды отводить путем его передачи тем объектам, которые наоборот требуют нагрева, например, в батареи отопления. Однако следует отметить, что в большее время года (когда солнечное излучение имеет достаточную мощность) нагрев не требуется. В этом случае тепло можно отводить к испарителям холодильников.

Более перспективными представляются солнечные электростанции, в которых в качестве теплоносителя применяется какой-либо химический реагент, имеющий обратимые реакции. Это предположение основано на следующем принципе.

Если в качестве теплоносителя использовать какую-либо химическую среду, то можно исключить потери между концентратором и паровой турбиной. Это позволит использовать тепло в течение длительного времени, например, в ночное время или в период облачности. Схема такой электростанции приведена на рисунке 3.

В этой системе используется эндотермическая реакция диссоциации аммиака, которая идет с дефицитом энергии Солнечное излучение используется для снабжения системы энергией, необходимой для протекания этой реакции. Продукты диссоциации в камере синтеза частично восстанавливаются в молекулы аммиака, выделяемое при этом тепло используется для работы паровой машины или теплового двигателя Стирлинга. Дальнейшая рекомбинация продуктов диссоциации происходит в теплообменнике. Сепаратор разделяет потоки жидких и газообразных составляющих.

Рисунок 3 - Солнечная электростанция с использованием аммиака

1 - концентратор; 2 - камера диссоциации; 3 - сепаратор; 4 - конденсатор; 5 - камера синтеза; 6 - тепловая машина

Описанная солнечная электростанция многовариантна, что требует ее обоснования для различных ситуаций. Рассмотрим варианты описанной системы и их влияние на технико-экономические показатели. В солнечной электростанции могут использоваться различные эндотермические реакции, которые отличаются дефицитом энергии, стоимостью компонентов и их безопасностью, и, несомненно, будут влиять на технико-экономические параметры электроснабжения.

Каждая реакция может протекать в различных условиях, например, при разных температурах и давлении. Так диссоциация аммиака в принципе может протекать при давлениях от 0,1 МПа до нескольких десятков МПа. Чем 60 больше давление, тем толще и прочнее должны быть емкости, но их объем при этом будет снижаться. Очевидно, есть смысл определить наилучшие условия протекания реакций.

Естественно, что любые принятые условия можно обеспечить только путем изменения конструктивных параметров системы (а в некоторых случаях это может оказаться невыполнимо в принципе). Так, при автономной работе солнечные концентраторы должны подавать энергию в количестве, достаточном и для работы электростанции в период отсутствия солнечной энергии, то есть, достаточной для зарядки аккумуляторов. Расход энергии зависит от ее накопления и потребления, то есть, от графиков поступления энергии солнечного излучения и графика нагрузки.

Таким образом, создание солнечной электростанции с тепловой машиной является явно многофакторной оптимизационной задачей. Причем ее решение зависит от массы управляемых факторов и процессов (выбор реагентов и химических реакций, выбор условий их протекания, учет и управление графиками нагрузки, способов аккумулирования энергии). Однако из-за высокой стоимости таких солнечных электростанций их применение для автономного электроснабжения пока неприемлемо. Возможно с расширением фермерского производства, особенно животноводства, такие солнечные электростанции получат большие перспективы.

Использование солнечных тепловых электростанций в системной электроэнергетике не требует аккумулирования энергии, что позволяет значительно уменьшить стоимость электроэнергии.

Преимущества тепловых электростанций

высокая эффективность (КПД в пределах 30-40%)

способность аккумулировать тепло, что позволяет работать станции почти круглосуточно;

Недостатки тепловых электростанций:

более высокая себестоимость;

сложные процессы эксплуатации, которые снижают надежность оборудования;

В мировой солнечной промышленности нет четкого ответа, какие же типы электростанций более востребованы. Многие инвесторы вкладывают ресурсы в оба направления. Множество особенностей этих станций создают более привлекательные условия для реализации проектов в определенных регионах Мира по отношению друг к другу.

Общий основной принцип работы солнечных  электростанций основан на  принципе концентрации солнечной энергии на теплоприемник. В теплоприемнике концентрированное излучение преобразовывается в тепловую энергию при температурах от 200 до 1000 °С (В зависимости от системы). Как и в обычных тепловых электростанциях, эта тепловая энергия  может быть преобразована в электричество с помощью паровой или газовой турбины. Это энергия  также может быть использована для других промышленных процессов, таких как опреснение воды, охлаждения или, в ближайшем будущем, производство водорода.

Bсе солнечные электростанции оснащены следящими системами, которые позволяют концентрировать солнечное излучение на протяжении всего дня в одном направлении.

Основные типы солнечных электростанций

Существует четыре основных типа солнечных тепловых электростанций. Их можно разделить на два подтипа: системы с линейным концентратором, такие как параболические желоба и концентраторы Фринеля.  И   системы с точечной фокусировкой:  станции башенного типа и параболоидные концентраторы.

Солнечные электростанции с параболическими концентраторами состоят из многочисленных расположенных параллельно рядов концентраторов, которые являются параболическими отражателями. Эти отражатели концентрируют солнечное излучение вдоль теплоприёмной трубки. В данной трубке циркулирует теплоноситель на основе масла, разогреваясь до 400 °C. Разогретая жидкость поступает на теплообменный аппарат, где  вода преобразовывается в пар при температуре около 390 °C. Этот пар поступает на парогенератор, где происходит процесс преобразования электроэнергии так же, как обычных электростанциях.

Рисунок 4 - Солнечные электростанции с параболическими концентраторами

Концентраторы Фринеля имеют отражатели с слегка изогнутой формой. Эти отражатели так же фокусируют излучение на трубчатый абсорбер, оснащенный дополнительным отражателем. Вода нагревается и испаряется непосредственно в трубке теплоприемника. Это способствует повышению эффективности станции по сравнению с параболическими концентраторами за счет снижения себестоимости, однако среднегодовая выработка электричества у станций такого типа меньше.

Рисунок 5 – Концентраторы Фринеля

В солнечных электростанциях башенного типа, солнечное излучение концентрируется на центральный теплоприемник при помощи огромного количество плоских отражателей (зеркал), которые в течение светового дня автоматически изменяют угол установки. Это позволяет достичь значительно более высокую концентрацию по сравнению с системами с линейными концентраторами. При этом температура на теплоприемнике превышает 1000°С. Такие температуры значительно увеличивают эффективность работы станции. По данной типу конструкции была построена в 1985 году в Крыму солнечная станция СЭС 5.

Рисунок 6 – Солнечные электростанции башенного типа

Параболоидные концентраторы еще их называют электростанциями тарельчатого типа напоминают по форме тарелку. Солнечное излучение концентрируется на приемник, к которому подключен двигатель Стирлинга. Двигатель может преобразовывать тепловую энергию непосредственно в механическую работу или электричество.

Рисунок 7 –Параболоидные концентраторы

Такие системы могут достичь КПД более 30%.Хотя эти системы предназначены для работы в автономном режиме, они так же имеют возможность объединения нескольких систем в одну солнечную электростанцию.

Литература

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика: конспект лекций для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». — СПб.: СПбГАУ, 2016. — 127 с.

2. В.В. Елистратов, А.А. Панфилов Проектирование и эксплуатация установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Тепловые солнечные электростанции. - СПб: Библиогр, 2011. - 114 с.URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4875 (дата обращения: 15.12.2019).

3. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - СПб: СЗТУ, 2003.