Генерация энергии на современных гелиоэлектростанциях

Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах — от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с «солнечным приводом»: моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.




Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении.

Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные — стеклянные, либо из полированного алюминия.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов- зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели.

Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце.

Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже Кпред (Кпред = 46 160 ), но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.



Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка- парабалоида, эллипсоида, гипербалоида или полусферы.Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.

Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму:

цилиндрического параболоида;
параболоида вращения;
плоско-линейной линзы Френеля.

Парабалоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах.
Оптимальный угол раскрытия реальных парабалоидных концентраторов, в отличие от угла идеального парабалоид. концентратора ( 45 град. ), близок к 60 град.

Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга ( двиг. внешнего сгорания, пример-паровоз). Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 куб.м. воды в час.

В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия.Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт.

Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВтч энергии — 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций. (Атомные станции США ~ 15 центов за 1Квт.). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом в дневные часы — солнце. Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем — дифенилом, нагреваемым до 350°С. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем.



Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.

Наиболее вероятной «кандидатурой» является водород. Обратный процесс перевода энергии водорода в электроэнергию осуществляется особыми устройствами — топливными элементами.

Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня — направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

Получение водорода.При электролизе, тем не менее, большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. В установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого — производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле. Между тем, многие беды в районах газоносных месторождений связаны с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сероводород часто до сих пор считается вредной примесью, всвязи с чем можно вспомнить историю бензина в начале ХIХ века. Прежде всего, из нефти -«земляного масла», как ее тогда называли, стали выделять очищенные продукты — научились получать керосин и бензин.

Керосин нашел применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти. Бензина с каждым годом становилось все больше и от него все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Объявлялись конкурсы — кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыло реальную область применения бензина.

Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клаусса, разработанному еще в прошлом веке, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, весьма дорогостоящего процесса очевиден: из сероводорода извлекают только серу, а водород переходит в воду. Поэтому проводились эксперименты по диссоциации сероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать два продукта: водород и конденсированную серу.

Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться с околозвуковой скоростью. Образующиеся в плазмотроне частицы серы выносятся при этом из объема реакции за время, недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежный эффект позволяет добиться значительного отклонения плазмохимической системы от термодинамического равновесия и снизить энергозатраты на получение кубометра водорода до десятков ватт. Такой водород оказывается дешевле электролизного примерно в 15 раз, и его уже можно широко использовать в энергетике и в промышленности.