William B. Stine, Michael Geyer
1. Системы преобразования солнечной энергии
Крупнейшей солнечной электростанцией, находящейся в Kramer Junction, штат Калифорния, производится более 354 МВт электроэнергии. Этот солнечный энергетический объект, как показано ниже, производит электроэнергию для энергосистемы Southern California Edison. Электроэнергия передается в Лос-Анджелес. Цель написания этого материала заключается в предоставлении необходимой информации для разработки таких систем.
Солнечные коллекторы фокусируют солнечный свет для нагрева жидкого теплоносителя до высокой температуры. Горячий теплоноситель необходим для выработки пара, который используется в контуре энергетической подсистемы, производя электричество. Система хранения тепловой энергии обеспечивает тепло для работы электростанции в периоды, когда нет необходимого солнечного света.
 |
|
| Рисунок 1.1 | Одна из девяти солнечных энергогенерирующих систем Kramer Junction, штат Калифорния, с общей мощностью 354 МВт. (Фото любезно предоставлено Kramer Junction Operating Company) |
Еще одним способом выработки электричества из солнечной энергии является использование фотоэлектрических элементов; «волшебных кусочков кремния», которые преобразуют попадающую на них солнечную энергию непосредственно в электричество. Возможности применения кремниевых панелей для выработки электроэнергии огромны: либо на крышах домов, либо на больших площадях полей с подключением к энергетической сети. Эта технология очень перспективна, она является экологически чистой, безопасной и стратегически обоснованной альтернативой существующим методам производства электроэнергии.
 |
|
| Рисунок 1.2 | Фотоэлектрическая электростанция на 2 МВт разместилась рядом с бездействующей атомной электростанцией вблизи Sacramento, штат Калифорния. (Фото любезно предоставлено DOE/NREL, Warren Gretz |
Далее рассматриваются основные принципы проектирования и эксплуатации систем преобразования солнечной энергии. Это и преобразование солнечной энергии в тепловую, тепловой в электрическую, и фотогальваническое преобразование, и интеграция с системами аккумулирования энергии, и подсистема подачи электроэнергии потребителям. Изучение взаимодействия этих подсистем очень важно для разработки оптимальной системы солнечной энергии. Здесь приводятся также методы разработки оптимальных, хорошо сбалансированных систем получения и хранения энергии.
Акцент делается на конструировании всей солнечной системы преобразования энергии (тепловая или фотоэлектрическая), а не на ее отдельных компонентах. Этот подход – результат признания схожести проектирования конструкций обоих типов солнечных энергетических систем. Мы не будем останавливаться на тонкостях разработки отдельных узлов, но дадим проектировщику возможность использовать экспериментальные (или расчетные) параметры компонентов для использования при конструировании всей системы.
Система, изображенная на рисунке 1.1, использует параболические отражатели с фокусировкой на линейных коллекторах. Мы расскажем и об этих, и о других типах коллекторов для сбора солнечной энергии, таких как плоская пластина, параболическое зеркало, центральный приемник и фотоэлектрическая панель. Назначение солнечного коллектора состоит в преобразовании солнечного излучения. Для солнечных тепловых систем эта энергия преобразуется в тепловую энергию определенной температуры, а далее, если нужно, в электричество.
Для фотоэлектрических систем, как показано на рисунке 1.2, солнечная энергия преобразуется непосредственно в низкое напряжение постоянного тока. Компромисс между стоимостью и производительностью составляющих частей привел к широкому разнообразию конструкций коллекторных систем. Здесь представлен обзор конструкций действующих солнечных коллекторов, представляющих различные концепции энергосистем.
В следующих разделах представлен процесс проектирования солнечных энергосистем, начиная с описания основного энергетического ресурса.
1.1. Система преобразования солнечной энергии
Существует множество различных типов солнечных энергетических систем, которые преобразовывают солнечное излучение в необходимый тип энергии. Блок-схема трех основных типов системы показана на рисунке 1.3. В первом типе солнечная энергия преобразуется в тепло, которое затем подается для различного применения, например, отопления, горячего водоснабжения или для нагрева в промышленных технологических процессах. В систему может быть добавлена подсистема аккумулирования тепла. Присутствует в системе и вспомогательный источник энергии, так что выдача тепла происходит и в облачные, и в ночные часы.
 |
|
| Рисунок 1.3 | Схема основных систем преобразования солнечной энергии. Компонент AUX представляет собой вспомогательные источники тепловой или электрической энергии. |
|
Надписи на схеме |
|
|
Solar thermal collectors |
Солнечный тепловой коллектор |
|
AUX |
Вспомогательный |
|
Storage |
Накопление |
|
Power cycle (power plant or engine) |
Энергетический цикл (электрогенератор) |
|
Thermal load (house heat, hot water, |
Потребитель тепла (отопление домов, горячее водоснабжение, |
|
Photovoltaic collectors |
Фотоэлектрический коллектор |
|
Electricity load |
Потребитель электроэнергии |
Если необходима электрическая, а не тепловая энергия, существует два распространенных метода преобразования солнечной энергии в электричество. Одним из методов является сбор солнечной энергии в виде тепла и преобразование его в электричество с помощью широко распространенных электрогенераторов. Другим способом является использование фотоэлектрических элементов для непосредственного преобразования солнечной энергии в электричество. Оба метода схематически показаны на рисунке 1.3.
Если системы преобразования солнечной энергии соединены с общей сетью передачи электроэнергии, необходимость в подсистеме аккумулирования и дополнительном источнике энергии не требуется. Когда система преобразования солнечной энергии – единственный источник электропитания, аккумулятор и вспомогательный источник энергии, как правило, в ней должны фигурировать. Если выбран способ преобразования в тепловую энергию, именно накопление тепла, а не электричества, может быть использовано для увеличения времени работы системы. Вспомогательная энергия может поставляться либо в виде тепла, вливаясь в контур перед преобразователем энергии, либо как электроэнергия после него. При использовании фотоэлектрических панелей, излишняя электроэнергия может быть сохранена, как правило, в аккумуляторных батареях, тем самым, расширяя время работы системы. В качестве дополнительного питания, внешний источник электроэнергии является единственным вариантом для фотоэлектрических систем.
1.2. Солнечные ресурсы
Источником энергии для всех систем солнечной энергетики является Солнце. Определение количества и качества солнечной энергии, доступной в конкретном месте имеет первостепенное значение для разработки любой системы солнечной энергетики. Хотя солнечная радиация (инсоляция) является относительно постоянной вне атмосферы Земли, на поверхности Земли влияние местного климата может вызвать отклонения от этой постоянной инсоляции, в зависимости от месторасположения наблюдателя. Кроме того, движение Земли относительно Солнца ведет к изменению ориентации поверхности для приема солнечной энергии, и, соответственно, к изменению ее количества.
Рисунок 1.4 показывает регионы с высокой инсоляцией, где системы преобразования солнечной энергии будет производить максимальное количество энергии при одной и той же площади коллектора. Но все же, солнечная энергия доступна по всему миру. Для регионов с низкой инсоляцией надо только увеличить площадь коллектора, чтобы получать такое же количество тепла или электроэнергии, как и в солнечных местах. Это главная задача проектировщика системы солнечной энергетики: определить количество, качество и время действия солнечной энергии на месте строительства электростанции.
 |
|
| Рисунок 1.4 | Карта районов с высокой инсоляцией. |
В космосе плотность солнечной энергии равна 1367 Вт на каждый квадратный метр поверхности, обращенной перпендикулярно к излучению Солнца. Из-за вращения Земли, асимметричности ее орбиты и наличия атмосферы, большая часть этой энергии не достигает ее поверхности. В главе 2 обсуждается влияние атмосферных процессов на количество солнечной энергии, как она измеряется, а также методы, используемые конструкторами для расчета количества этой энергии для конкретного места, как мгновенной, так и за длительный период.
Продолжение читайте здесь
